Neue Einblicke in die Ammoniakspaltung
Ein internationales Forschungsteam hat neue Erkenntnisse in die Funktionsweise eines Eisenkatalysators gewonnen, mit dem sich Ammoniak in Stickstoff und Wasserstoff spalten lässt. Wasserstoff wird zu Ammoniak umgewandelt, um den Energieträger leichter transportierbar zu machen. Folglich braucht es auch Katalysatoren, die Ammoniak wieder in die Ausgangsstoffe zerlegen können.
Wie der Eisenkatalysator diese Reaktion im Detail bewerkstelligt, beschreibt ein Team der Ruhr-Universität Bochum, des Max-Planck-Instituts (MPI CEC) für Chemische Energiekonversion in Mülheim an der Ruhr, der Technischen Universität Berlin und des Italian Institute of Technology in Genua in der Zeitschrift ACS Catalysis vom 6. September 2024.
Wasserstoff transportierbar machen
Grüner Wasserstoff gilt als vielversprechender Energieträger. Er kann mithilfe von Wind- oder Solarenergie durch die Spaltung von Wasser gewonnen werden. Oft sind die Bedingungen für diese Wasserelektrolyse jedoch nicht an genau den Standorten günstig, an denen Wasserstoff benötigt wird. Für den Transport muss Wasserstoff verflüssigt werden, was nur bei extrem tiefen Temperaturen gelingt. Wasserstoff in Ammoniak umzuwandeln, der sich bei deutlich höheren Temperaturen verflüssigen lässt, gilt daher als Alternative. „Hinzu kommt, dass es in der chemischen Industrie bereits eine etablierte Infrastruktur für das Ammoniak-Handling gibt“, sagt Prof. Dr. Martin Muhler, Leiter des Lehrstuhls für Technische Chemie in Bochum und Max Planck Fellow am MPI CEC.
Um Ammoniak (NH3) wieder in seine Ausgangsstoffe Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) zu zerlegen, braucht es effiziente Katalysatoren. Das Problem: Herkömmliche Eisen-Katalysatoren begünstigen in der Regel eine unerwünschte Reaktion zu Eisennitrid anstatt zu Stickstoff. Wie genau es zu dieser Nebenreaktion kommt, haben die Forschenden in der vorliegenden Arbeit gezeigt. Sie testeten die Ammoniak-Spaltung mithilfe eines Katalysators der neusten Generation, den die Firma Clariant zur Verfügung stellte.
Das Team um Dr. Maximilian Purcel, Astrid Müller und Prof. Dr. Martin Muhler von der Ruhr-Universität Bochum und vom MPI CEC in Mülheim führte die dazu erforderlichen Experimente durch. Verfeinert wurden die Erkenntnisse mithilfe von aufwendigen Molekulardynamik-Simulationen, unterstützt durch maschinelles Lernen, der italienischen Partner. Dem Team der Technischen Universität Berlin gelang es, die gebildeten Eisennitride unter Reaktionsbedingungen mittels Röntgenbeugung zu identifizieren und deren Umwandlungen mitzuverfolgen.
Künftig effizientere Katalysatoren
„Unsere Ergebnisse können dazu beitragen, künftig effizientere Katalysatoren für die Spaltung von Ammoniak zu entwickeln“, folgert Martin Muhler. „Die Ammoniaksynthese und -spaltung hat eine lange Geschichte“, ergänzt er. „Wir zitieren wissenschaftliche Publikationen der vergangenen 100 Jahre.“ Darunter sind auch die Arbeiten von Martin Muhlers Doktorvater Gerhard Ertl, der 2007 für seine Forschung dazu den Nobelpreis erhielt.
Förderung
Die Arbeiten fanden im Rahmen des Projekts „AmmoRef” statt, das Teil des Wasserstoff-Leitprojekts „TransHyDE“ ist, welches vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird (03HY203A, 03HY203C.)
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Martin Muhler
Lehrstuhl für Technische Chemie
Fakultät für Chemie und Biochemie
Ruhr-Universität Bochum
Tel.: +49 234 32 28754
E-Mail: martin.muhler@ruhr-uni-bochum.de
Originalpublikation:
Maximilian Purcel, Stefan Berendts, Luigi Bonati, Simone Perego, Astrid Müller, Martin Lerch, Michele Parrinello, Martin Muhler: Iron Nitride Formation and Decomposition during Ammonia Decomposition over a Wustite-Based Bulk Iron Catalyst, in: ACS Catalysis, 2024, DOI: 10.1021/acscatal.4c04415, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.4c04415?ref=PDF
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