11.04.2025
Ammoniak durch selektive Stickstoffreduktionsreaktion herstellen
Die elektrokatalytische Reduktion von Distickstoff ist ein vielversprechender Weg zur nachhaltigen Herstellung von Ammoniak, obwohl das Problem der Selektivität der konkurrierenden Stickstoffreduktions- und Wasserstoffentwicklungsreaktionen in wässrigen Elektrolyten noch nicht gelöst ist.
Einatomige Katalysatoren (SACs) bieten die Aussicht, diese Lücke zu schließen, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Massenmaterialien eine einzigartige elektronische Struktur und Reaktivität bei katalytischen Umwandlungen aufweisen.
In einem kürzlich in der Zeitschrift Materials Today erschienenen Artikel wurde gezeigt, dass in-situ gebildete Einzelatomzentren auf Molybdän-basierten MXenen die Selektivität auf das bevorzugte Produkt Ammoniak lenken können, indem sie das elektrochemische Potenzial pulsieren, und so einen neuen Weg zur Überwindung der Selektivität bei der Stickstoffreduktion bieten.
Einzelatomkatalysatoren (SAC) haben sich zu einer neuen Materialklasse entwickelt, mit der sich aktive und selektive Katalysatoren herstellen lassen. In den meisten Fällen bedeutet dies, dass ein - in der Regel kostbares - Übergangsmetall auf einer Art Träger verankert wird.
Forschende unter der Leitung von CENIDE-Mitglied Prof. Dr. Kai S. Exner berichteten kürzlich, dass MXene - eine Klasse zweidimensionaler Materialien, die erst 2011 entdeckt wurden - in der Lage sind, beim Anlegen eines anodischen Elektrodenpotentials in-situ SAC-artige Stellen zu bilden. Diese Entdeckung kann die Herstellung von Ein-Atom-Katalysatoren erheblich vereinfachen und macht den Einsatz teurer Edelmetalle überflüssig.
Nun haben Exner und sein Team gezeigt, dass die SAC-ähnlichen Stellen der MXene auch die Stickstoffreduktion unter kathodischen Bedingungen effizient katalysieren können. "Wir kamen zu dem Schluss, dass MXene auf Molybdän-Basis das Potenzial haben, die Selektivität in Richtung des bevorzugten Produkts Ammoniak zu lenken", erklärt Exner. Zu diesem Schluss kamen Exner und sein Team durch elektrochemische Pulsexperimente, bei denen das angelegte Elektrodenpotenzial zwischen einem Arbeitspotenzial und einem Ruhezustand zirkuliert.
Für archetypische SAC-Katalysatoren ist die Anwendung von Pulsexperimenten kritisch, da die SAC-Stellen in einer elektrochemischen Umgebung aufgrund der Metallauflösung oft instabil sind. Anders verhält es sich mit den in-situ gebildeten SAC-ähnlichen Stellen von MXenen: Diese Stellen werden regeneriert, während das Potenzial in einem anodischen Ruhezustand gehalten wird, während die Umwandlung von Stickstoff in Ammoniak während des kathodischen Pulses stattfindet.
"Unsere Arbeit liefert einen neuen Denkansatz zur Lösung der damit verbundenen Probleme der geringen Faradaic-Effizienz bei der Ammoniakbildung", so Exner abschließend. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um intelligente Materialien mit in-situ gebildeten SAC-ähnlichen Stellen in Verbindung mit elektrochemischen Pulsexperimenten zu entwickeln. Diese Bemühungen könnten auch für katalytische Prozesse jenseits der Stickstoffreduktion nützlich und für die Energieumwandlung und
Quelle: Center for Nanointegration Duisburg-Essen (CENIDE)