Wissenschaftler haben einen Katalysator für die Wasserstofferzeugung aus Ammoniak entwickelt, der mit der Zeit aktiver wird. Durch das Zählen von Atomen konnten Veränderungen festgestellt werden, die die Leistung des Katalysators steigern.
Ein Forschungsteam der School of Chemistry der University of Nottingham hat in Zusammenarbeit mit der University of Birmingham und der Cardiff University ein neuartiges Material entwickelt, das aus nanoskaligen Rutheniumclustern (Ru) besteht, die auf graphitiertem Kohlenstoff verankert sind. Diese Ru-Nanocluster reagieren mit Ammoniakmolekülen und katalysieren die Spaltung von Ammoniak in Wasserstoff und Stickstoff – ein wesentlicher Schritt in Richtung grüner Wasserstoffproduktion. Diese bahnbrechende Forschung wurde veröffentlicht in Chemische Wissenschaftdas Flaggschiff-Journal der Royal Society of Chemistry.
Aufgrund seiner hohen volumetrischen Energiedichte ist Ammoniak ein vielversprechender kohlenstofffreier Energieträger, der in naher Zukunft eine nachhaltige neue Wirtschaft vorantreiben könnte. Es ist wichtig, schnelle und energieeffiziente Methoden zu finden, um Ammoniak bei Bedarf in Wasserstoff (H₂) und Stickstoff (N₂) zu spalten. Während eine Deaktivierung des Katalysators häufig vorkommt, kommt es selten vor, dass ein Katalysator bei der Verwendung aktiver wird. Daher ist das Verständnis der Mechanismen auf atomarer Ebene hinter Änderungen der Katalysatoraktivität von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung der nächsten Generation heterogener Katalysatoren.
Dr. Jesum Alves Fernandes, außerordentlicher Professor an der School of Chemistry der University of Nottingham und Co-Leiter des Forschungsteams, erklärte: „Traditionelle Katalysatoren bestehen aus Nanopartikeln, wobei die meisten Atome für Reaktionen unzugänglich sind. Unser Ansatz beginnt mit einzelnen Atomen, die.“ Daher können wir das Wachstum der Cluster stoppen, wenn ihre Grundfläche 2–3 Nanometer im Quadrat erreicht, und so sicherstellen, dass die Mehrheit der Atome an der Oberfläche verbleibt und verfügbar ist für chemische Reaktionen haben wir diesen Ansatz genutzt, um Ruthenium-Nanocluster aus Atomen direkt in einem Kohlenstoffträger zu züchten.“
Die Forscher nutzten Magnetronsputtern, um einen Fluss von Metallatomen für den Aufbau des Katalysators zu erzeugen. Diese lösungsmittel- und reagenzienfreie Technik ermöglicht die Herstellung eines sauberen, hochaktiven Katalysators. Durch die Maximierung der Oberfläche des Katalysators gewährleistet diese Methode die effizienteste Nutzung seltener Elemente wie Ruthenium (Ru).
Dr. Yifan Chen, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der School of Chemistry der University of Nottingham, sagte: „Wir waren überrascht, als wir herausfanden, dass die Aktivität von Ru-Nanoclustern auf Kohlenstoff mit der Zeit tatsächlich zunimmt, was den Deaktivierungsprozessen widerspricht, die typischerweise bei Katalysatoren während ihrer Verwendung stattfinden.“ Dieser aufregende Befund kann nicht mit herkömmlichen Analysemethoden erklärt werden, und so haben wir einen Mikroskopie-Ansatz entwickelt, um die Atome in jedem Nanocluster des Katalysators in verschiedenen Phasen der Reaktion zu zählen. Wir haben eine Reihe subtiler noch bedeutende Transformationen auf atomarer Ebene.“
Forscher entdeckten, dass Rutheniumatome, die zunächst auf der Kohlenstoffoberfläche ungeordnet waren, sich zu Nanopyramidenstümpfen mit abgestuften Kanten neu anordnen. Die Nanopyramiden zeigen während der Reaktion bei hohen Temperaturen über mehrere Stunden hinweg eine bemerkenswerte Stabilität. Sie entwickeln sich kontinuierlich weiter, um die Dichte der aktiven Zentren zu maximieren und dadurch die Wasserstoffproduktion aus Ammoniak zu verbessern. Dieses Verhalten erklärt die einzigartigen selbstverbessernden Eigenschaften des Katalysators.
Professor Andrei Khlobystov von der School of Chemistry der University of Nottingham sagte: „Diese Entdeckung gibt eine neue Richtung im Katalysatordesign vor, indem sie ein stabiles, sich selbst verbesserndes System zur Wasserstofferzeugung aus Ammoniak als grüner Energiequelle vorstellt. Wir gehen davon aus, dass dieser Durchbruch dazu beitragen wird.“ erheblich zu nachhaltigen Energietechnologien beitragen und den Übergang zu einer CO2-freien Zukunft unterstützen.“
Diese Erfindung stellt einen großen Fortschritt beim Verständnis der atomistischen Mechanismen der heterogenen Katalyse für die Wasserstoffproduktion dar. Es ebnet den Weg für die Entwicklung hochaktiver, stabiler Katalysatoren, die seltene Metalle nachhaltig nutzen, indem sie Katalysatorstrukturen im Nanomaßstab präzise steuern.
Die University of Nottingham widmet sich der Förderung grüner und nachhaltiger Technologien. Der Zero Carbon Cluster wurde kürzlich in den East Midlands ins Leben gerufen, um die Entwicklung und den Einsatz von Innovationen in umweltfreundlichen Industrien und fortschrittlicher Fertigung zu beschleunigen.
Diese Arbeit wird durch den EPSRC-Programmzuschuss „Metal atoms on surface and interfaces (MASI) for sustainable Future“ finanziert, der darauf abzielt, Katalysatormaterialien für die Umwandlung von drei Schlüsselmolekülen – Kohlendioxid, Wasserstoff und Ammoniak – zu entwickeln, die von entscheidender Bedeutung sind für Wirtschaft und Umwelt. MASI-Katalysatoren werden auf atomeffiziente Weise hergestellt, um eine nachhaltige Nutzung chemischer Elemente zu gewährleisten, ohne die Vorräte an seltenen Elementen zu erschöpfen und die meisten der auf der Erde reichlich vorkommenden Elemente wie Kohlenstoff und unedle Metalle herzustellen.
