Elektro- und photokatalytische N₂-Umwandlung mit Übergangsmetallchalkogeniden über 2D- und 3D-strukturierten Elektroden (NI-CONSTRUCT)

Ammoniak ist eine vielseitige Verbindung, die in den Produktionsketten verschiedener Produkte, darunter Kunststoffe und Düngemittel, vorkommt. Es wird sogar als praktikabler Ersatz für viele der derzeit verwendeten fossilen Brennstoffe angesehen, sowohl in der Schifffahrt als auch in Turbinentreibstoffen und potenziell auch in Flugzeugtreibstoffen. Fortschritte bei der Gewinnung und Nutzung erneuerbarer Energiequellen haben die Möglichkeit eröffnet, das derzeitige industrielle Verfahren zur Ammoniakherstellung (Haber-Bosch-Verfahren, energieintensiv, hohe Temperaturen, hoher Druck) durch ein elektrochemisches Verfahren bei Raumtemperatur, zu ersetzen. Die Umsetzung ist jedoch eine komplexe Herausforderung, wie die aktuellen elektrochemischen Ammoniakproduktionsraten zeigen, welche im Labormaßstab einige Mikrogramm Ammoniak pro Stunde nicht überschreiten.

Das Projekt NI-CONSTRUCT wird im Rahmen des DFG-Schwerpunktprogramms "Nitrokonversion" durchgeführt und hat zum Ziel, die derzeit erreichbaren Produktionsraten von Ammoniak zu verbessern, indem es sich von der Natur inspirieren lässt. Insbesondere von den Nitrogenasen, Enzymen, die natürlicherweise in stickstofffixierenden Bakterien vorkommen. Diese Enzyme nutzen einen molybdän-, eisen- und schwefelhaltigen Cofaktor, um den Stickstoff in Ammoniak umzuwandeln. Daher werden MoFe-Oxide und -Sulfide (Fe_a-bMo_bO_x-yS_y) mit unterschiedlichen Metallverhältnissen synthetisiert und auf ihre photo- und elektrochemische Fähigkeit zur Katalyse der Umwandlung von Stickstoff in Ammoniak getestet.

Neben der Entwicklung vielversprechender neuer Katalysatormaterialien muss die Elektrode der elektrochemischen Zelle eine ausreichend große Oberfläche für die Reaktion bieten und gleichzeitig die Diffusionswege für das gasförmige N2 und den flüssigen Elektrolyten minimieren. Zu diesem Zweck wird eine Gasdiffusionselektrode (GDE) verwendet, die mit der Methode der Dynamischen Wasserstoffblasen-Templatierung (englisch Dynamic Hydrogen Bubble Templating, DHBT) hergestellt wird, wobei die Herausforderung darin besteht, eine Porenstruktur zu erhalten, die die Diffusionswege von Gasen und Flüssigkeiten minimiert. Schließlich kann auch die Löslichkeit von N2 im Elektrolyten erhöht werden, damit es leichter an die katalytischen Zentren gelangt. Dies kann durch die Verwendung ionischer Flüssigkeiten (IL) geschehen, die nachweislich die Löslichkeit von N2 erhöhen. Ihre Einbindung in die Nanostruktur von GDEs (im Gegensatz zum Elektrolyten selbst) wurde jedoch noch nicht nachgewiesen.

Dieses Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen der Marschall-Gruppe (Universität Bayreuth), der Roth-Gruppe (Universität Bayreuth) und der Balducci-Gruppe (Friedrich-Schiller-Universität, Jena) durchgeführt.

Projektprofil

Laufzeit: 09.2022 - 08.2025

Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)

Projektpartner:

• Universität Bayreuth - Lehrstuhl für Physikalische Chemie III
• Universität Jena - Angewandte Elektrochemie

Kontakt: Dr.-Ing. Carlos Lobo, Prof. Dr.-Ing. Christina Roth 

Weiterführende Links

Priority programme: "Nitroconversion"