de.wedoany.com-Bericht: Deutsche Wissenschaftler haben ein Verfahren zur Katalysatorherstellung entwickelt, das die Ammoniakausbeute bei der elektrochemischen Nitratumwandlung durch magnetfeldgestützte Synthese verdreifacht. Dies eröffnet neue technische Ansätze für einen dekarbonisierten Weg der Düngemittelproduktion.
Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin und der Universität Köln synthetisierten den Elektrokatalysator Kobaltferrit (CoFe₂O₄) unter Einwirkung eines Magnetfelds von 1 Tesla. Dadurch verbesserte sich die Fähigkeit des Materials, Nitrat in Ammoniak umzuwandeln, erheblich. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ veröffentlicht.
Die Studie befasst sich mit einem alternativen Verfahren zum traditionellen Haber-Bosch-Verfahren. Dieses hundert Jahre alte industrielle Verfahren zur Ammoniakherstellung verbraucht derzeit etwa 1 bis 2 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs und verursacht jährlich fast 1 Prozent der Treibhausgasemissionen. Die elektrochemische Nitratreduktion gilt als vielversprechender neuer Weg, da sie einen relativ geringen Energieverbrauch aufweist und gleichzeitig die durch intensive Landwirtschaft verursachte übermäßige Nitratbelastung reduzieren kann.
Die Ergebnisse zeigen, dass der unter Magnetfeldeinfluss synthetisierte Katalysator eine dreimal höhere Ammoniakausbeute erzielte als das gleiche Material, das ohne Magnetfeld hergestellt wurde. Die Forscher gehen davon aus, dass das Magnetfeld die Oberflächenstruktur des Katalysators veränderte und die katalytisch aktiven Kobaltionen stabilisierte, wodurch die Effizienz der Nitratreduktion gesteigert und gleichzeitig die konkurrierende Wasserstoffentwicklung als Nebenreaktion unterdrückt wurde.
Der leistungsfähigste Katalysator war CoFe₂O₄, das unter einem Magnetfeld von 1 Tesla synthetisiert wurde. Seine Ammoniakausbeute war 22-mal höher als die eines auf ähnliche Weise hergestellten Eisenoxid-Katalysators. Dies unterstreicht die entscheidende Rolle des Kobalts in der Reaktion. Durch Berechnungsmodelle wurde bestätigt, dass die experimentellen Beobachtungen mit den angenommenen Mechanismen übereinstimmen: Kobalt senkt die kinetische Barriere der Nitratreduktion und reduziert unerwünschte Nebenreaktionen.
Die Forscher weisen darauf hin, dass diese Methode einen skalierbaren Ansatz zur Entwicklung effizienterer Elektrokatalysatoren bietet. Im Gegensatz zu einigen Verfahren, bei denen während des gesamten Prozesses ein Magnetfeld angelegt werden muss, wird das Magnetfeld hier nur während der Herstellungsphase des Katalysators eingesetzt, während die Ammoniakproduktion ohne weiteres Magnetfeld abläuft.
Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Magnetfelder wie Temperatur und Druck als zusätzliches Werkzeug zur Steuerung der Katalysatoreigenschaften auf atomarer Ebene dienen könnten. Dies könnte die Entwicklung der nächsten Technologiegeneration für nachhaltige Chemikalien und Düngemittel beschleunigen.
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