Im Forschungsprojekt SuNRed (Surface engineered metal Nitrides for genuine nitrogen Reduction) untersuchen Forschende des DLR-Instituts für Technische Thermodynamik Übergangsmetallnitride als Elektrokatalysatoren für die elektrochemische Ammoniaksynthese (EAS). Die erforderliche Stickstoffreduktionsreaktion (NRR, engl. nitrogen reduction reaction) stellt den limitierenden Prozess dar, wobei Nitriden durch den vermuteten Mars-van-Krevelen (MvK) Mechanismus energetische Vorteile zugesprochen werden. Durch die Nutzung von Stickstoff-Leerstellen im MvK-Mechanismus und der Optimierung der Koordinationsumgebung dieser Leerstellen sollen im Projekt aktive Katalysatoren für die NRR entwickelt werden.
Elektrochemische Ammoniaksynthese als Alternative zum großtechnischen Haber-Bosch-Verfahren
Die elektrochemische Ammoniaksynthese (EAS) stellt die direkte Synthese von grünem Ammoniak durch die Nutzung von Stickstoff, Wasser und erneuerbaren Energien dar und kann damit eine dezentrale Alternative zum großtechnischen Haber-Bosch-Verfahren sein, das aufgrund der Prozessbedingungen ein großer Emittent von Treibhausgasen ist. Die Aktivierung des stabilen Stickstoffmoleküls (N2) stellt jedoch den limitierenden Prozess dar und aktuell fehlt es noch an effizienten Elektrokatalysatoren für die notwendige Stickstoffreduktionsreaktion (NRR) in wässrigen Elektrolyten. Die niedrigen Reaktionsraten und Faraday’schen Effizienzen stellen eine große Herausforderung bei der Identifizierung von tatsächliche aktiven Elektrokatalysatoren dar und führten zu vielen falsch-positiven Studienergebnissen in der Forschung.
Eine vielversprechende Materialkasse sind Übergangsmetallnitride, welche die NRR über den Mars-van-Krevelen (MvK) Mechanismus katalysieren. Hierbei spielen Stickstoff-Leerstellen im Kristallgitter eine entscheidende Rolle für die energetisch begünstigte Aktivierung des Stickstoffmoleküls. Im Forschungsprojekt sollen diese Leerstellen gezielt genutzt werden und durch Optimierung der Oberflächenstruktur die Konzentration an Leerstellen sowie die Koordinationsumgebung der Leerstellen gesteuert werden. Letzteres erfolgt beispielhaft durch die Einbringung von Heteroatomen wie Sauerstoff in die Kristallstruktur. Das Forschungsprojekt wird gemeinsam mit den Arbeitsgruppen von Prof. Anjana Devi von der Ruhr-Universität in Bochum und Prof. Michael Wark von der Carl von Ossietzky Universität in Oldenburg sowie mit Unterstützung durch das Team von Prof. Michael Nolan vom Tyndall National Institute in Cork/Irland durchgeführt.
Spurenanalytik von Ammoniak durch die Ionenchromatographie als Schlüssel für den Aktivitätsnachweis
Die niedrigen Reaktionsraten und Faraday’schen Effizienzen verhindern die direkte elektrochemische Aktivitätsbestimmung und erfordern stattdessen die Quantifizierung von gebildetem Ammoniake bzw. Ammonium in sauren Elektrolyten durch analytische Verfahren. Hierzu wird am DLR die Ionenchromatographie eingesetzt und die Methodik weiterentwickelt, um Ammonium im Spurenbereich zu quantifizieren. Dies ist ein wichtiger Arbeitsschritt für die tatsächliche Bestimmung einer wahren NRR Aktivität.
Einbindung der Forschung im Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft
Das Forschungsprojekt SuNRed ist Teil des Schwerpunktprojekts (SPP) 2370 „Nitroconversion“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG). In diesem Verbund aus elf Projekten, das von der Universität Bayreuth koordiniert wird, wird an elektrokatalytischen, photokatalytischen und photoelektrochemischen Verfahren zur Aktivierung des Stickstoffmoleküls und dessen Umwandlung in höherwertige Chemikalien und Treibstoffe geforscht.
Ionenchromatographie
Nachweis von Ammonium durch Spurenanalytik mittels Ionenchromatographie am Institut für Technische Thermodynamik
Die Arbeiten im Projekt SuNRed zielen auf die Entwicklung von aktiven Elektrokatalysatoren für die Stickstoffreduktionsreaktion durch die Optimierung der Oberflächenstruktur von Übergangsmetallnitriden ab.
SuNRed auf einen Blick
Projekt
Surface engineered metal Nitrides for genuine nitrogen Reduction (SuNRed)
Laufzeit
1.10.2022 - 30.9.2025
Förderung
Schwerpunktprogramm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG),
