Bessere Ammoniakproduktion für eine nachhaltigere Zukunft

Der Energiebedarf ist so hoch wie nie zuvor, ebenso wie die Notwendigkeit, sich um die Umwelt zu kümmern. Aus diesem Grund haben die Chemieingenieurprofessoren Joseph Kwon und Mark Barteau eine Strategie entwickelt, um die Leistung neuer Katalysatoren für eine umweltfreundlichere Ammoniakproduktion vorherzusagen.

Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Katalyse B: Umwelt und Energie.

„Indem diese Forschung industrielle Prozesse wie die Ammoniakproduktion nachhaltiger gestaltet, trägt sie zu umfassenderen Bemühungen zur Bekämpfung des Klimawandels bei und fördert so einen gesünderen Planeten für zukünftige Generationen“, sagte Kwon.

Eine Änderung der Art und Weise der Ammoniakproduktion hat Vorteile für die Umwelt und die Wirtschaft und verbessert die Lebensmittelsicherheit. Dies kann durch die Reduzierung des Energiebedarfs und der CO2-Emissionen im Zusammenhang mit der herkömmlichen Ammoniakproduktion erreicht werden.

Es wird geschätzt, dass 1–2 % des weltweiten Energieverbrauchs und ein ähnlicher Anteil der vom Menschen verursachten Treibhausgasemissionen (THG) mit der Produktion von Ammoniak zur Verwendung als Düngemittel zusammenhängen.

Ammoniak wird nach dem Haber-Bosch-Verfahren hergestellt, einer jahrhundertealten Technologie, die Luftstickstoff und Wasserstoff zur Herstellung von Ammoniak nutzt. Wasserstoff wird typischerweise aus Methan durch einen Prozess erzeugt, der einen erheblichen CO2-Fußabdruck erzeugt.

Laut Kwon und Barteau konzentrieren sich ihre Forschungen auf eine umweltfreundlichere Alternative zum Haber-Bosch-Verfahren. Sie entwickeln Elektrokatalysatoren für die elektrochemische Stickstoffreduktionsreaktion namens NRR, bei der Wasserstoffatome aus Wasser verwendet werden.

„Ziel ist es, die Wechselwirkung von Stickstoff und Wasserstoff auf der Katalysatoroberfläche zu verstehen und zu verbessern, um Ammoniak bei niedrigeren Temperaturen und Drücken effizient zu produzieren“, sagte Kwon. „Damit diese Katalysatoren so funktionieren, wie wir es uns erhoffen, analysieren wir rechnerisch verschiedene Materialien und ihre Eigenschaften, um vorherzusagen, welche unter NRR-Bedingungen am besten funktionieren. »

Das Team von Kwon und Barteau kombinierte die Berechnungsmethoden der Dichtefunktionaltheorie (DFT) und kinetischen Monte-Carlo-Simulationen (kMC), um die Effizienz und Stabilität von Katalysatoren unter elektrochemischen Reaktionsbedingungen vorherzusagen.

Die Dichtefunktionaltheorie ist eine Modellierungsmethode, die Physik, Chemie und Materialwissenschaften nutzt, um die elektronische Struktur von Atomen und Molekülen zu untersuchen. Mit dieser Methode kann Kwon vorhersagen, wie verschiedene Materialien mit Stickstoff- und Wasserstoffmolekülen interagieren.

„Rechnerwerkzeuge wie DFT und kMC haben das Katalysatordesign im 21. Jahrhundert revolutioniert“, sagte Barteau, einer der ersten Praktiker, der DFT auf heterogene Katalysatoren anwendete. „Das Besondere an der Kombination dieser Werkzeuge ist die Fähigkeit, die dynamische Leistung aktiver Materialien unter verschiedenen Bedingungen und im Zeitverlauf vorherzusagen. »

Kinetische Monte-Carlo-Simulationen verwenden Wahrscheinlichkeitsschätzungen, um die möglichen Ergebnisse eines ungewissen Ereignisses vorherzusagen. Dies wird Forschern helfen zu verstehen, wie Reaktionen bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken ablaufen, und Informationen über die Skalierbarkeit und Lebensdauer potenzieller Katalysatoren liefern.

„Wir wollen neue Elektrokatalysatormaterialien erforschen“, sagte Kwon. „Die unabhängige Verwendung jeder Methode kann jedoch den Umfang der Materialeigenschaften und Reaktionsprozesse einschränken. Dieser Ansatz ermöglicht es uns, Katalysatoren systematisch zu optimieren, bevor sie überhaupt im Labor getestet werden. Das vereinfacht den Entwicklungsprozess und ebnet den Weg für nachhaltigere Düngemittelproduktionsmethoden. »

Kwon hofft auch, dass diese Forschung zu Fortschritten im Katalysatordesign und einem besseren Verständnis ihrer Funktion auf molekularer Ebene führen kann.

Mehrere Schlüsselbereiche, auf die sich die Forschung konzentriert, sind die Reduzierung der Umweltbelastung, die Förderung grüner Chemie, die Förderung der Energiesicherheit und die Beschleunigung technologischer Innovationen.

„Dieser integrierte Ansatz beschleunigt nicht nur die Entdeckung brauchbarer Katalysatoren, sondern bietet auch ein umfassendes Verständnis ihres Verhaltens unter realen Bedingungen und ebnet so den Weg für experimentelle Validierung und mögliche industrielle Anwendung“, sagte Kwon.