Ingenieure der University of Illinois Chicago haben eine solarbetriebene elektrochemische Reaktion entwickelt, die nicht nur Abwasser zur Herstellung von Ammoniak - der weltweit am zweithäufigsten produzierten Chemikalie - nutzt, sondern auch einen Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Kraftstoff erreicht, der zehnmal besser ist als bei jeder anderen vergleichbaren Technologie.
"Diese Technologie und unsere Methode haben ein großes Potenzial für die bedarfsgerechte Synthese von Düngemitteln und könnten einen immensen Einfluss auf den Landwirtschafts- und Energiesektor in Industrie- und Entwicklungsländern sowie auf die Bemühungen zur Verringerung der Treibhausgase aus fossilen Brennstoffen haben", sagte der leitende Forscher Meenesh Singh, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen am UIC College of Engineering.
Ammoniak, eine Kombination aus einem Stickstoffatom und drei Wasserstoffatomen, ist eine Schlüsselverbindung für Düngemittel und viele Industrieprodukte wie Kunststoffe und Arzneimittel. Die derzeitigen Verfahren zur Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff erfordern enorme Wärmemengen, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt werden, um die starken Bindungen zwischen den Stickstoffatomen aufzubrechen, damit sie sich mit Wasserstoff verbinden können. Dieser jahrhundertealte Prozess verursacht einen erheblichen Teil der weltweiten Treibhausgasemissionen, die eine treibende Kraft des Klimawandels sind.
Zuvor hatten Singh und seine Kollegen eine umweltfreundliche Methode zur Herstellung von Ammoniak entwickelt, bei der reines Stickstoffgas durch ein elektrisch geladenes, mit einem Katalysator versehenes Sieb in einer wässrigen Lösung gefiltert wird. Diese Reaktion verbrauchte nur eine winzige Menge fossiler Energie, um das Sieb zu elektrisieren, das Stickstoffatome aufspaltet, aber es wurde mehr Wasserstoffgas (80 %) als Ammoniak (20 %) erzeugt.
Nun haben die Forscher dieses Konzept verbessert und eine neue Methode entwickelt, bei der Nitrat, eine der häufigsten Grundwasserverunreinigungen, als Stickstofflieferant und Sonnenlicht zur Elektrifizierung der Reaktion verwendet wird. Das System erzeugt nahezu 100 % Ammoniak ohne Nebenreaktionen mit Wasserstoffgas. Die Reaktion kommt ohne fossile Brennstoffe aus und erzeugt kein Kohlendioxid oder andere Treibhausgase. Durch die Nutzung von Sonnenenergie wird ein beispielloser Wirkungsgrad von 11 % erreicht, der zehnmal besser ist als bei jedem anderen modernen System zur Ammoniakproduktion (etwa 1 % STF).
Die neue Methode beruht auf einem Kobaltkatalysator, den die Forscher zusammen mit dem neuen Verfahren in ihrem Papier "Solar-Driven Electrochemical Synthesis of Ammonia using Nitrate with 11% Solar-to-Fuel Efficiency at Ambient Conditions" beschreiben.
Um den Katalysator zu identifizieren, wendeten die Forscher zunächst die Rechentheorie an, um vorherzusagen, welches Metall am besten funktionieren würde. Nachdem sie anhand dieser Modelle Kobalt identifiziert hatten, experimentierte das Team mit dem Metall und probierte verschiedene Möglichkeiten aus, um seine Aktivität in der Reaktion zu optimieren. Die Forscher fanden heraus, dass eine raue, aus der Oxidation stammende Kobaltoberfläche am besten geeignet war, um eine selektive Reaktion zu erzeugen, d. h. fast alle Nitratmoleküle in Ammoniak umzuwandeln.
"Einen aktiven, selektiven und stabilen Katalysator zu finden, der in einem solarbetriebenen System funktioniert, ist ein starker Beweis dafür, dass eine nachhaltige Synthese von Ammoniak im industriellen Maßstab möglich ist", so Singh.
Die Reaktion selbst ist nicht nur kohlenstoffneutral, was gut für die Umwelt ist, sondern wenn das System für den industriellen Einsatz entwickelt wird, könnte es auch einen fast negativen, restaurativen Effekt auf die Umwelt haben.
"Die Verwendung von Abwassernitrat bedeutet, dass wir den Schadstoff auch aus dem Oberflächen- und Grundwasser entfernen müssen. Im Laufe der Zeit kann das Verfahren also gleichzeitig dazu beitragen, Industrieabfälle und Abwässer zu korrigieren und den Stickstoffkreislauf wieder ins Gleichgewicht zu bringen, insbesondere in ländlichen Gebieten, die möglicherweise wirtschaftliche Nachteile haben oder durch die hohe Belastung mit überschüssigem Nitrat am stärksten gefährdet sind", so Singh.
Eine hohe Nitratbelastung des Trinkwassers wird mit Gesundheitsstörungen wie Krebs, Schilddrüsenerkrankungen, Frühgeburten und niedrigem Geburtsgewicht in Verbindung gebracht.
"Wir sind alle sehr erfreut über diesen Erfolg, und wir werden hier nicht stehen bleiben. Wir hoffen, dass wir bald einen größeren Prototyp haben werden, mit dem wir in einem viel größeren Maßstab testen können", sagte Singh, der bereits mit kommunalen Unternehmen, Kläranlagen und anderen in der Branche zusammenarbeitet, um das System weiter zu entwickeln.
Ein Patent für das neue Verfahren wurde vom UIC-Büro für Technologiemanagement angemeldet.
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