Eine neue Methode zur effizienteren Herstellung von Ammoniak

Ammoniak wird in Düngemitteln und vielen industriellen Prozessen verwendet. Es gilt auch als vielversprechende Möglichkeit zur Speicherung und zum Transport von Energie, da Ammoniak sicherer und einfacher zu handhaben ist als Wasserstoffgas. Mithilfe von Plasma,

dem vierten Aggregatzustand, haben Wissenschaftler ein Material entwickelt, das die Ammoniakproduktion steigert.

„Wenn man industriellen Wasserstoff an einem anderen Ort als dem Produktionsort benötigt, ist es einfacher und sicherer, Wasserstoff als Ammoniak zu transportieren und zu lagern, bis er benötigt wird. Im Idealfall würde man dann das Ammoniak dort zersetzen, wo der Wasserstoff benötigt wird, also bei Bedarf“, sagte Emily Carter, Senior Strategic Advisor und Associate Laboratory Director für die Abteilung Applied Materials and Sustainability Sciences (AMSS) am Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums

(DOE) in Princeton. ​„Man braucht also Methoden, um Ammoniak effizient und kostengünstig aus Wasserstoff zu synthetisieren und wieder in Wasserstoff zu zerlegen, und an beidem arbeiten wir am PPPL in der Abteilung für Elektromanufacturing Science der AMSS.“

Die Forschung wurde von einem multidisziplinären Team aus verschiedenen Institutionen durchgeführt, darunter das PPPL und das Oak Ridge National Laboratory des DOE, die Princeton University, die Rutgers University und die Rowan University. Ein wissenschaftlicher Artikel über die Arbeit wurde kürzlich in ACS Energy Letters veröffentlicht. 

„Die derzeitige Methode zur Herstellung von Ammoniak ist teuer“, sagte Zhiyuan Zhang, Doktorand an der Rutgers University-Newark und Hauptautor der Studie. ​„Man braucht eine große Fabrik, um Ammoniak unter extremen Temperaturen und Drücken herzustellen.“ 

Speicherung und Transport von Wasserstoff als Ammoniak

Ammoniak kann als Trägerstoff für Wasserstoff verwendet werden, d. h. es kann die Chemikalie speichern und transportieren, bevor sie in Wasserstoff für die Energiegewinnung umgewandelt wird. Wasserstoff erfordert große Produktionsanlagen und Speicheranlagen. Mit dieser neuen Methode könnte Ammoniak in weitaus kleineren Anlagen hergestellt werden, die näher am Verwendungsort liegen – möglicherweise sogar vor Ort. Wenn das Ammoniak über weite Strecken transportiert werden muss, wäre auch das kostengünstiger. 

„Wasserstoff hat eine sehr geringe Energiedichte, und der Transport von Wasserstoff ist äußerst schwierig. Ammoniak hat eine höhere Energiedichte – doppelt so hoch wie komprimierter Wasserstoff – und lässt sich leichter über große Entfernungen transportieren als Wasserstoff“, sagte Yiguang Ju, leitender Forscher, leitender Forschungsphysiker, Leiter der Abteilung für Elektromanufacturing Science am PPPL und Professor an der Princeton University. ​„Dies könnte einen transformativen Wandel in der Energiespeicherung und im Energietransport einleiten.“

PPPL: Führend in der Simulation von Niedertemperaturplasma

Mark Martirez, stellvertretender Berater für Nachhaltigkeitswissenschaften bei AMSS und Forschungsphysiker, erstellt derzeit Simulationen einiger der in der neuen Veröffentlichung beschriebenen Experimente, damit das Team vollständig verstehen kann, was während der chemischen Reaktion auf atomarer Ebene geschieht. ​„Simulationen sind unerlässlich, um den Mechanismus vollständig zu verstehen, durch den chemische Spezies aus Wasser und Stickstoff Ammoniak produzieren“, so Martirez. ​„Sie konnten die Positionen der verschiedenen Atome nur anhand eines Bildes des Experiments erraten.“ Martirez verfügt über ein seltenes Verständnis der Quantenchemie, die an diesem Prozess beteiligt ist, der allgemein als Plasmakatalyse bekannt ist und ein relativ neues Forschungsgebiet darstellt.

Anstelle der hohen Hitze und des hohen Drucks, die für die thermische Katalyse erforderlich sind – dem alten Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff – werden bei der neuen Methode Strom, Wasser, Stickstoff und Niedertemperaturplasma verwendet. In Niedertemperaturplasma sind die ungeladenen Moleküle relativ kühl oder haben Raumtemperatur. Die Elektronen sind jedoch sehr heiß. Die Elektronen haben genug Energie, um die Oberfläche von Katalysatoren zu verändern, bestimmte Atome herauszuschlagen und Stickstoff- oder Wasserstoffatome in ihre äußersten Schichten einzubauen.

Ein Katalysator ist ein Stoff, der chemische Reaktionen beschleunigt, ohne sich dabei selbst zu verändern. Der in den Experimenten verwendete Katalysator hat eine einzigartige Struktur, die energieeffizientere chemische Umwandlungen ermöglicht. Wissenschaftler bezeichnen diese Struktur als heterogenen Grenzflächenkomplex (HIC).

„Die Katalysatoren Wolframoxid und Wolframoxynitrid sind nicht neu. Neu sind die Struktur und die plasmaunterstützte Methode, mit der sie auf kontrollierbare und skalierbare Weise hergestellt werden können“, sagte Huixin He,

Professor an der Rutgers University und einer der Hauptforscher der Studie.

Die Struktur des Katalysators ist entscheidend für seine Effizienz

Das spezielle Design von HIC trägt dazu bei, hochaktive Wasserstoffatome genau dort zu erzeugen, wo sie benötigt werden, um winzige Hohlräume zu bilden, die als Stickstoffleerstellen bekannt sind und perfekt für ein Stickstoffmolekül geeignet sind. Diese Eigenschaften wirken zusammen: Die Wasserstoffatome wandeln den Stickstoff in Ammoniak um, und die Leerstellen ziehen mehr Stickstoff aus der Luft an, um den Prozess aufrechtzuerhalten. Diese Methode erhöht die Menge des produzierten Ammoniaks im Vergleich zu älteren Methoden erheblich. Außerdem minimiert sie unerwünschte Nebenreaktionen, wie die Bildung von Wasserstoffgas anstelle von Ammoniak.

„Der Prozess zur Herstellung dieses Katalysators wurde von etwa zwei Tagen auf 15 Minuten verkürzt“, sagte Zhang. Der Prozess übertraf auch andere ähnliche Methoden in Bezug auf die Menge des erzeugten Ammoniaks. Die Forscher werden weiterhin nach Möglichkeiten suchen, die Ammoniakproduktion mit dem HIC-Katalysator zu verbessern.