US-Forscher entwickeln Katalysator, der den wichtigen Grundstoff der chemischen Industrie energieeffizienter produzieren kann.
Ammoniak ist essentiell für zahlreiche Standards und Produkte des modernen Lebens. Die Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff wird zur Herstellung vor allem von Dünger, aber auch Kunststoff, Medikamenten, Reinigungs-, Lebens- und Kältemitteln eingesetzt. Das Gas gilt zugleich als wichtig für die Energie- und Verkehrswende, denn es könnte als Transportmedium für grünen Wasserstoff dienen oder direkt als klimafreundlicher Kraftstoff vor allem für Schiffe, aber auch Autos. Analysten rechnen insbesondere wegen der steigenden Nachfrage in diesen grünen Sektoren mit einer Verdreifachung des Ammoniakmarktes bis 2050.
Doch dafür sind neue umweltfreundliche Produktionsmethoden gefragt, denn der bisherige Industriestandard ist nahezu 120 Jahre alt und wenig energieeffizient, da er hohe Temperaturen und Drücke erfordert. Beim sogenannten Haber-Bosch-Verfahren wird Ammoniak durch eine Reaktion mit Wasserstoffgas aus molekularem Stickstoff synthetisiert, dafür kommen Katalysatoren auf Metallbasis zum Einsatz. Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory des US-Energieministeriums haben nun entdeckt, dass Ammoniak bereits bei Raumtemperatur und unter Umgebungsdruck entstehen kann, wenn dabei Katalysatoren aus Seltenen Erden verwendet werden.
Seltene Erden bieten neues Potenzial für Katalysatoren
Eine überraschende Entdeckung, so die leitende Wissenschaftlerin Polly Arnold. Zwar sei seit den 1990ern bekannt, dass Seltene Erden molekularen Stickstoff binden können, doch bislang konnte dieses Wissen nicht zur Herstellung von Chemikalien wie Ammoniak genutzt werden. Die neu entwickelten Katalysatoren seien in der Lage, den Stickstoff zu aktivieren und festzuhalten, während Reagenzien wie Kalium hinzukommen und zu unterschiedlichen Produkten reagieren, erklärt Arnold. Durch Seltenerdmetalle werde das Arsenal an potenziellen Katalysatoren für Umgebungsbedingungen erweitert. Diese Rohstoffe kämen vergleichsweise häufig auf der Erde vor und ihre Salze seien weniger toxisch als andere in der Katalyse genutzte Metalle, zählt Anthony Wong, Hauptautor der Studie in Chem Catalysis, einige weitere Vorteile auf.
Die Forscher wollen ihre Methode, die bereits patentiert ist, nun optimieren, um mit Hilfe von Seltenen Erden weitere stickstoffhaltige Produkte zu synthetisieren, dabei sei etwa auch der Einsatz Erneuerbarer Energien denkbar. Ziel sei es nicht, das weit verbreitete Haber-Bosch-Verfahren komplett zu ersetzen, so Arnold, jedoch ließen sich neben einer höheren Energieeffizienz und -sicherheit auch die Produktionskosten senken und letztlich die Versorgung mit Lebensmitteln verbessern.
Lesen Sie mehr: Über ein anderes Katalyse-Verfahren, das großtechnische Prozesse deutlich günstiger und energieeffizienter machen könnte, berichteten wir bereits im September 2022. Auch hier spielen kritische Rohstoffe – Gallium und Platin – eine entscheidende Rolle.
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