Neuer Katalysator verbessert Ammoniakumwandlung deutlich

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Möglichkeiten: Abwasserbehandlung, Produktion von grünen Chemikalien und Wasserstoff

WissenschaftlerInnen haben einen wirksamen Katalysator mit einer bemerkenswerten Fähigkeit zur Steigerung der Effizienz der Ammoniakumwandlung entwickelt. Die am 07.08.2024 in Advanced Energy Materials veröffentlichte Untersuchung zeigt, dass der Katalysator das Potenzial hat, die Abwasserbehandlung, die Herstellung von grünem Nitrit und Nitrat sowie die Wasserstoffproduktion erheblich zu verbessern. Das Team, an dem unter anderem Forscher der japanischen Hokkaido University und der australischen University of Technology Sydney beteiligt waren, entwickelte den Katalysator mit der Bezeichnung NiOOH-Ni durch die Kombination von Nickel (Ni) mit Nickeloxidhydroxid.

Nitratabscheidung: Kläranlage – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft für Solarify

Katalysatoren sind Substanzen, die chemische Reaktionen beschleunigen, indem sie einen effizienteren Weg für das Auftreten einer Reaktion bieten und deren Beginn und Abschluss erleichtern. Da Katalysatoren bei der Reaktion weder verbraucht noch verändert werden, können sie immer wieder verwendet werden und sind für viele industrielle, umwelttechnische und biochemische Prozesse unerlässlich.

Ammoniak kann schwerwiegende Umweltprobleme verursachen, z. B. übermäßiges Algenwachstum in Gewässern, das den Sauerstoff verbraucht und das Leben im Wasser beeinträchtigt. In hohen Konzentrationen kann Ammoniak Menschen und Wildtiere schädigen. Eine wirksame Bewirtschaftung und Umwandlung von Ammoniak ist daher von entscheidender Bedeutung, aber aufgrund seiner korrosiven Eigenschaften ist es schwer zu handhaben.

Die Forscher entwickelten NiOOH-Ni mithilfe eines elektrochemischen Verfahrens: Nickelschaum, ein poröses Material, wurde mit elektrischem Strom behandelt, während er in eine chemische Lösung getaucht wurde. Diese Behandlung führte zur Bildung von Nickeloxidpartikeln auf der Oberfläche des Schaums. Trotz ihrer unregelmäßigen und nicht kristallinen Struktur verbessern diese Nickel-Sauerstoff-Partikel die Effizienz der Ammoniakumwandlung erheblich. Das Design des Katalysators ermöglicht einen effektiven Betrieb bei niedrigeren Spannungen und höheren Strömen als bei herkömmlichen Katalysatoren.

„NiOOH-Ni funktioniert besser als Ni-Schaum, und der Reaktionsweg hängt von der Menge der verwendeten Elektrizität (Spannung) ab“, erklärt Professor Zhenguo Huang von der University of Technology Sydney, der die Studie leitete. „Bei niedrigeren Spannungen produziert NiOOH-Ni Nitrit, während es bei höheren Spannungen Nitrat erzeugt“.

Das bedeutet, dass der Katalysator je nach Bedarf auf unterschiedliche Weise verwendet werden kann. So kann er beispielsweise zur Reinigung von Abwässern verwendet werden, indem er Ammoniak in weniger schädliche Stoffe umwandelt. In einem anderen Verfahren kann er aber auch zur Herstellung von Wasserstoffgas, einem sauberen Kraftstoff, verwendet werden. Diese Flexibilität macht NiOOH-Ni wertvoll für verschiedene Anwendungen.

Bei der Elektrolyse von wässriger Ammoniaklösung entstehen Nitrit und Nitrat an der NiOOH-Ni-Anode und grüner Wasserstoff an der Ni2P-Ni-Kathode. Dies bietet Vorteile gegenüber dem derzeit verwendeten thermischen Ammoniak-Cracking, da gleichzeitig Wasserstoff als Energieträger und Nitrit und Nitrat als wertvolle Chemikalien unter Umgebungsbedingungen gebildet werden.

„NiOOH-Ni ist beeindruckend langlebig und stabil und funktioniert auch nach mehrmaligem Gebrauch noch gut“, sagt Associate Professor Andrey Lyalin von der Hokkaido Universität, der an der Studie beteiligt war. „Das macht ihn zu einer großartigen Alternative zu herkömmlichen, teureren Katalysatoren wie Platin, die bei der Umwandlung von Ammoniak nicht so effektiv sind.“

Aufgrund seiner langfristigen Zuverlässigkeit eignet sich der Katalysator für den großtechnischen Einsatz und könnte die Art und Weise, wie die Industrie mit Abwässern umgeht und saubere Energie erzeugt, verändern.

Abstract und Einleitung aus Advanced Energy Materials

Die Ammoniak-Elektrooxidation spielt im Bereich der katalytischen Reaktionen eine entscheidende Rolle bei der Umweltsanierung und der Energiespeicherung. Einerseits kann die Ammoniak-Elektrooxidation Ammoniak in Nitrit und Nitrat im Abwasser umwandeln, um die Toxizität zu verringern. Dies kann jedoch Auswirkungen auf die Umwelt und die öffentliche Gesundheit haben, wenn Nitrit und Nitrat nicht ordnungsgemäß verwaltet oder kontrolliert werden. Daher können Nitrit und Nitrat durch biologische Verfahren wie das Anammox-Verfahren und chemische Verfahren wie den Ionenaustausch entfernt werden. Gleichzeitig sind Nitrat und Nitrit kritische Chemikalien in der modernen Gesellschaft, und ihre Synthese beruht in der Regel auf dem Ostwald-Prozess, der energieintensiv ist und Schadstoffe erzeugt. Daher hat die Elektrooxidation von Ammoniak zur Herstellung von Nitrit und Nitrat starkes Forschungsinteresse auf sich gezogen, da dieser Prozess bei Raumtemperatur mit geringem Energieverbrauch und weitaus größerer Sicherheit ablaufen kann.

Die Elektrooxidation von Ammoniak kann mit der Wasserstoffproduktion gekoppelt werden, was den wirtschaftlichen Wert des Prozesses verbessern und den Nutzen für die Umwelt maximieren kann. Um diese Herausforderung zu meistern, haben Forscher eine Reihe von Katalysatoren wie Pt, Ir, [IrO2]x-Nanocluster und [Cu(bipyalk)]+ untersucht. Die Verwendung dieser Katalysatoren unterliegt jedoch verschiedenen Beschränkungen, wie z. B. hohen Kosten. Nickel (Ni) und andere Übergangsmetalle wie Kobalt und Eisen wurden aufgrund ihrer Häufigkeit und bemerkenswerten katalytischen Aktivität ausgiebig als Elektrokatalysatoren verwendet. Jüngste Forschungen haben gezeigt, dass Ni die Umwandlung von Ammoniak in Stickstoff durch Elektrooxidation erleichtert, und dass bei höheren Potenzialen Nitrit und Nitrat gewonnen werden können, außerdem haben Studien gezeigt, dass Nickelhydroxid (Ni(OH)2) und Nickeloxidhydroxid (NiOOH) ebenfalls katalytische Fähigkeiten für die Elektrooxidation von Ammoniak besitzen. Ni(OH)2 wandelt sich bei Erreichen eines bestimmten Arbeitspotenzials in NiOOH um. Allerdings ist der Mechanismus, mit dem NiOOH-Katalysatoren die Ammoniak-Elektrooxidation unterstützen, in den aktuellen Referenzen nur begrenzt beschrieben.

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