de.wedoany.com-Bericht: Einem Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Marcel Risch vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und Prof. Dr. Sanjay Mathur von der Universität zu Köln ist es gelungen, durch eine magnetfeldgestützte Synthesemethode die Effizienz und Selektivität von Katalysatoren aus Kobaltferrit-Dünnschichten (CoFe₂O₄) bei der elektrochemischen Umwandlung von Nitrat in Ammoniak zu verbessern. Diese Studie bietet eine nachhaltige Alternative zum traditionellen, energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren.
Die Ammoniaksynthese ist ein zentraler Prozess in der chemischen Industrie und der Düngemittelproduktion, doch das traditionelle Haber-Bosch-Verfahren verbraucht 1 bis 2 Prozent der weltweiten Energie und trägt zu fast 1 Prozent der Treibhausgasemissionen bei. Neue Verfahren auf Basis der elektrochemischen Umwandlung von Nitrat bieten einen vielversprechenden alternativen Weg, insbesondere zur Nutzung schädlicher Gülle aus der intensiven Landwirtschaft. Allerdings benötigt dieser Prozess hocheffiziente Katalysatoren, um die Wasserstoffentwicklung und die Bildung stickstoffhaltiger Nebenprodukte zu unterdrücken. Spinell-Übergangsmetalloxide wie CoFe₂O₄-Dünnschichten gelten als vielversprechend.
Die Forscher stellten fest, dass die Anwendung eines externen Magnetfelds während der Katalysatorsynthese deren Eigenschaften erheblich verbessern kann. In den konkreten Experimenten zeigten die bei einem Magnetfeld von 1 Tesla hergestellten CoFe₂O₄-Dünnschichten die beste Leistung: Im Vergleich zu demselben Material, das ohne Magnetfeld hergestellt wurde, verdreifachte sich die Ammoniakausbeute. Gleichzeitig war die Ammoniakausbeute dieses Katalysators 22-mal höher als die von reinem Eisenoxid Fe₃O₄-1T, das ebenfalls unter einem 1-Tesla-Magnetfeld synthetisiert wurde, was auf die entscheidende Rolle von Kobalt bei der Nitratreduktion hindeutet. Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Berechnungen bestätigten, dass Kobalt die konkurrierende Wasserstoffentwicklungsreaktion unterdrückt und die Nitratumwandlung fördert. Analysen zeigten, dass das Magnetfeld die katalytisch aktiven Co²⁺-Ionen auf den Oktaederplätzen im Katalysator stabilisiert und so die kinetische Barriere für die Nitratreduktion senkt.
Bemerkenswerterweise wurde das Magnetfeld nur während des Wachstums der Dünnschichten angelegt; die verbesserten Eigenschaften blieben auch bei den anschließenden elektrochemischen Operationen ohne externes Magnetfeld erhalten. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen deuten darauf hin, dass die Oberfläche der CoFe₂O₄-Dünnschichten umso rauer wird, je stärker das Magnetfeld während der Synthese ist, was eine größere Reaktionsoberfläche bietet. Das Forschungsteam hofft, dass diese Ergebnisse zu einer breiteren Erforschung magnetfeldgestützter Strategien zur maßgeschneiderten Entwicklung von Elektrokatalysatoren anregen.
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