Wasserstoffproduktion bei relativ niedrigen Temperaturen
Eine Forschergruppe des Tokyo Institute of Technology (Technische Hochschule, Tokyo Tech) hat einen Katalysator entwickelt, der Ammoniak bei 100 °C weniger als herkömmliche Katalysatoren zur Wasserstofferzeugung aufspalten kann. Ammoniak (NH3), entscheidende Ressource auf dem Weltmarkt für den Transport von Wasserstoff über weite Strecken, lässt sich leicht verflüssigen, lagern und transportieren und wieder in Wasserstoff umwandeln. Trotzdem ist das aufgrund des hohen Energiebedarfs zum Aufheizen des Prozesses oft teuer. Denn die Herstellung von Wasserstoff aus Ammoniak ist eine langsame Reaktion mit sehr hohem Energiebedarf.
Ammoniak – chemische Formel
Jüngste Studien haben nun ergeben, dass Nickel (Ni) ein vielversprechender Katalysator für die Spaltung von Ammoniak ist. Ammoniak wird an der Oberfläche von Ni-Katalysatoren adsorbiert, woraufhin die Bindungen zwischen Stickstoff und Wasserstoff im Ammoniak gebrochen werden und sie als einzelne Gase freigesetzt werden. Um eine gute Umwandlung von Ammoniak mit einem Ni-Katalysator zu erreichen, sind jedoch oft hohe Betriebstemperaturen erforderlich.
In einer kürzlich in ACS Catalysis veröffentlichten Studie beschreibt ein Tokyo Tech-Forscherteam unter Leitung von Associate Professor Masaaki Kitano eine Lösung zur Überwindung der Probleme von Katalysatoren auf Ni-Basis. Sie entwickelten einen hochmodernen Kalziumimid (CaNH)-gestützten Ni-Katalysator, der eine gute Ammoniakumwandlung bei niedrigeren Betriebstemperaturen ermöglicht. Kitano erklärt: „Unser Ziel war es, einen hochaktiven Katalysator zu entwickeln, der energieeffizient ist. Die Zugabe des Metallimids zum Katalysatorsystem verbesserte nicht nur dessen katalytische Aktivität, sondern half uns auch, den schwer fassbaren Funktionsmechanismus solcher Systeme zu entschlüsseln.“
Das Team entdeckte, dass die Anwesenheit von CaNH zur Bildung von NH2-Lücken (VNH) auf der Oberfläche des Katalysators führte. Diese aktiven Spezies führten zu einer verbesserten katalytischen Leistung des Ni/CaNH-Katalysators bei Reaktionstemperaturen, die 100 °C niedriger waren als die für das Funktionieren von Katalysatoren auf Ni-Basis erforderlichen Temperaturen. Die Forscher entwickelten auch Berechnungsmodelle und führten Isotopenmarkierungen durch, um zu verstehen, was auf der Katalysatoroberfläche geschieht. Die Berechnungen schlugen einen Mars-van Krevelen-Mechanismus vor, der die Adsorption von Ammoniak an der CaNH-Oberfläche, seine Aktivierung an den NH2– Leerstellen, die Bildung von Stickstoff und Wasserstoffgas und schließlich die Regeneration der Leerstellen durch Ni-Nanopartikel umfasst.
Der hochaktive und langlebige Ni/CaNH-Katalysator kann erfolgreich für die Erzeugung von Wasserstoffgas aus Ammoniak eingesetzt werden. Die in dieser Untersuchung gewonnenen Erkenntnisse über den Mechanismus der Katalyse können auch zur Entwicklung einer neuen Generation von Katalysatoren genutzt werden. „Da die ganze Welt zusammenarbeitet, um eine nachhaltige Zukunft zu schaffen, zielt unsere Forschung darauf ab, die Probleme auf dem Weg zu einer saubereren Wasserstoffwirtschaft zu lösen“, so Kitano.
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