NSF-DFG Echem: Elektrochemisch verstärkte katalytische Niedertemperatur-Ammoniaksynthese

• Antragsteller: Professor Dr. Olaf Deutschmann
• Fachliche Zuordnung: Technische Chemie ; Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 460038541

Als Alternative zum Haber-Bosch-Verfahren ist eine dezentrale, elektrochemisch aktivierte Synthese von Ammoniak (NH3) von großem Interesse, da sie zu aufgrund geringerer Drücke die Kapitalkosten verringern und zu wesentlich geringen Treibhausgas-Emissionen im Herstellungsprozess führen könnte. Die bisherige Forschung dazu basierte auf polarisierten keramischen elektrochemischen Zellen mit Dampf-Elektrolyse oder Methan-Reformierung an der Anode, einer protonenleitende Keramikmembran und der NH3-Synthese an der Kathode. Diese Zellen können in geringen Mengen NH3 produzieren. Da aufgrund des thermodynamischen Gleichgewichts die NH3-Ausbeute mit steigender Temperatur stark abnimmt, ist eine Niedrigtemperaturkatalyse (z.B. T< 450 °C) erforderlich. Doch selbst mit den besten Katalysatoren ist die Ausbeute unter etwa 500 °C stark kinetisch limitiert. Praktische keramische elektrochemische Zellen arbeiten normalerweise zwischen 500 und 700 °C. Der hier vorgeschlagene Ansatz ist anders: Wir werden die direkte elektrochemische Aktivierung eines neuartigen Katalysatorsystems untersuchen, um die Reaktionsgeschwindigkeit bei niedrigen Temperaturen, bei denen die NH3-Ausbeute durch die Aktivierung der N2-Dissoziation begrenzt ist, stark zu erhöhen. Dieses Ziel des gemeinsamen Projekts des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Colorado School of Mines (CSM) besteht in der Entwicklung und Demonstration eines elektrochemischen Prozesses, der die Synthese von NH3 bei niedrigen Temperaturen und Drücken ermöglicht. Dabei wird nanodisperses Ruthenium auf einem protonenleitenden BCZY-Träger verwendet, und durch direkte Polarisierung wird die kinetische Barriere für die N2-Aktivierung verringert. Unser Projekt konzentriert sich auf die Entwicklung, Modellierung und Validierung des vorgeschlagenen elektrochemischen Verfahrens. Das elektrische Feld soll über zwei synergistische Mechanismen die geschwindigkeitsbegrenzenden N2-Dissoziationsbarrieren reduzieren:1. Elektrische Felder beeinflussen die protonenleitende BCZY-Unterstützung, um durch H2-Dissoziation Protonen zu bilden. Diese aktivieren N2 und führen zur Bildung von Adsorbaten wie NH(BCZY).2. Felder im Bereich von 0,1 bis 1,0 V/Å über nanodispergiertem Ru reduzieren ebenfalls die N2-Aktivierungsbarriere. Erste Simulationen mit unserem Reaktionsmechanismen für Ba-geträgertes Ru/YSZ zeigen, dass eine Verringerung der N2-Dissoziationsenergie um 10 kJ/mol die Bildungsgeschwindigkeit von NH3 um eine Größenordnung erhöht.Die Erreichung der vorgeschlagenen Ziele beruht auf der kombinierten, komplementären und tiefgehenden Expertise der Partner im Zusammenhang mit der heterogenen Katalyse, Materialsynthese, Charakterisierung und Prozessdemonstration (KIT) und der physikalisch basierten Modellierung der Elektrochemie, des Transports geladener Defekte und der Katalyse (CSM).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Partnerorganisation: National Science Foundation (NSF)
• Mitverantwortlich: Dr. Julian Dailly
• Kooperationspartner: Professor Dr. Robert J. Kee