MIT entwickelt neue Methode zur Auswahl von Katalysatoren für die elektrochemische Ammoniaksynthese

de.wedoany.com-Bericht: Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben eine neue Methode zur Auswahl von Katalysatoren für die elektrochemische Ammoniaksynthese entwickelt. Durch die Identifizierung der wichtigsten physikalischen Eigenschaften, die die katalytische Aktivität steuern, wird die Zeit für die Suche nach effizienten Katalysatoren aus einer Vielzahl von Legierungskombinationen erheblich verkürzt. Dies unterstützt den Weg zu einer emissionsarmen Ammoniakproduktion als Alternative zum traditionellen Haber-Bosch-Verfahren.

Ammoniak ist nach Schwefelsäure die zweitwichtigste Chemikalie nach Jahresproduktion und wird hauptsächlich zur Herstellung von Düngemitteln verwendet. Derzeit verbraucht die Ammoniakproduktion etwa 2 % der weltweiten Energie und verursacht etwa 1,5 % der Treibhausgasemissionen. Mehr als 90 % der heutigen Produktion erfolgt noch immer über das seit über hundert Jahren etablierte Haber-Bosch-Verfahren, das auf fossile Brennstoffe für die Reaktionswärme angewiesen ist und auch bei der Wasserstofferzeugung überwiegend auf fossilen Brennstoffen basiert. Die elektrochemische Ammoniaksynthese vermeidet hohe Temperaturen und Drücke, doch Ausbeute und Reaktionseffizienz reichen bisher nicht für eine industrielle Anwendung aus. Der weltweite Jahresverbrauch an Ammoniak liegt bei etwa 200 Millionen Tonnen; die Suche nach energieeffizienteren und kohlenstoffärmeren Produktionsmethoden ist zu einer zentralen Aufgabe der Branche geworden.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf Übergangsmetallnitrid-Materialsysteme. Der in diesen Verbindungen enthaltene native Stickstoff nimmt an der Reaktion teil und kann einen Teil der Energie für nachfolgende Schritte bereitstellen, was dazu beiträgt, den Hauptengpass der Stickstoffreduktionsreaktion zu überwinden – die hohe Energie, die zum Aufbrechen der starken Bindung im Stickstoffmolekül erforderlich ist. Der gesamte Reaktionsweg bleibt jedoch durch Schritte wie Stickstoffdissoziation und Wasserstoffübertragung begrenzt. Bilge Yildiz, Professorin am Fachbereich Nuklearwissenschaft und -technik sowie am Fachbereich Materialwissenschaft und -technik des MIT, erklärte, dass das Team zunächst die Beziehung zwischen mikroskopischen Materialeigenschaften und Stickstoffreduktionsaktivität bewertete und anschließend mithilfe von Dichtefunktionaltheorie-Simulationen (Density Functional Theory) und maschinellem Lernen die Reaktionsengpässe identifizierte, um vorherzusagen, welche Legierungskombinationen diese Engpässe voraussichtlich überwinden könnten.

Die traditionelle Katalysatorentwicklung beruht auf dem mühsamen Ausprobieren unter Millionen von Legierungen und dauert Jahre. Die neue Methode verlagert den Auswahlprozess von der zufälligen Suche hin zur gezielten Vorhersage auf Basis physikalischer Eigenschaften. Athanitis erklärte, dass man, wenn man einen Katalysator finde, der gleichzeitig die für die Reaktion benötigte Energie senke und die Ammoniakselektivität erhöhe, die Ammoniakausbeute steigern und gleichzeitig Nebenreaktionen reduzieren könne.

Dane Morgan, Ingenieurprofessor an der University of Wisconsin, bewertete die Arbeit dahingehend, dass sie dazu beitrage, den Zusammenhang zwischen grundlegenden elektronischen Eigenschaften von Materialien und ihrer katalytischen Wirkung zu erhellen und als Leitfaden für die Entwicklung einer neuen Generation von Ammoniakproduktionskatalysatoren dienen könne. Er wies zugleich darauf hin, dass sich die Forschung derzeit noch in der theoretischen Phase befinde; die Materialien seien noch nicht tatsächlich hergestellt und getestet worden, und vom rechnerischen Screening bis zum praktikablen Katalysator seien noch zahlreiche weitere Schritte erforderlich. Das Forschungsteam plant als nächsten Schritt den Aufbau einer funktionierenden Reaktionszelle, um die Ammoniakproduktionsleistung der Kandidatenmaterialien unter realen Betriebsbedingungen zu bewerten.