Die Haber-Bosch-Reaktion hilft, die Welt zu ernähren, indem sie Stickstoff in Ammoniak, einen Düngemittelvorläufer, umwandelt. Sein CO2-Fußabdruck ist jedoch enorm: Diese eine Reaktion ist die Quelle von speedy 2 % der weltweiten CO2-Emissionen. Nun, in einer Studie, die kürzlich in veröffentlicht wurde ACS Energiebriefehaben Forscher der Universität Osaka dazu beigetragen, diese Reaktion neu zu erfinden, um die Nachhaltigkeit der chemischen Industrie zu verbessern.
Das Ersetzen der Haber-Bosch-Reaktion durch eine nachhaltigere Selection ist seit vielen Jahren ein aktives Forschungsgebiet. Diese Bemühungen haben zu einer weltweit etablierten elektrochemischen Reaktion für die Ammoniaksynthese geführt. Bemühungen zur Optimierung dieser Reaktion werden jedoch durch unzureichendes Verständnis ihres Ablaufs behindert. Ein allgemeiner Konsens ist die Notwendigkeit, die Wasserkonzentration in der Reaktion so weit wie möglich zu minimieren. Diesen Konsens zu überdenken – mit dem Ziel, Main points chemischer Reaktionen bereitzustellen, die für die Optimierung der Ammoniakproduktion nützlich sind – struggle das Drawback, das die Forscher angehen wollten.
„Es gibt verschiedene kreative Möglichkeiten, die Faradaysche Effizienz zu verbessern, indem guy den Stickstoffpartialdruck oder die Löslichkeit erhöht“, erklärt Yu Katayama. „Wir haben diese Studien ergänzt, indem wir gezeigt haben, dass Wasserspuren den Reaktionsfortschritt erleichtern können.“
Die Forscher berichten von einer Spurenwasserkonzentration (ca. 36 millimolar) und einer Lithiumperchloratkonzentration (0,8 molar), die zu einer Faradayschen Effizienz von ca. 28 % bei atmosphärischem Druck. Diese Selektivität ist die höchste, die bisher bei Umgebungsdruck ohne Verwendung einer Gasdiffusionselektrode berichtet wurde.
„Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie-Experimente zeigen, dass die Selektivität teilweise auf die Wasserspuren zurückzuführen ist, die den Einbau von Lithiumoxid in die Festelektrolyt-Zwischenphase erleichtern“, sagt Katayama. „Höhere Wasserkonzentrationen könnten die Wasserstoffentwicklung erleichtern, eine unerwünschte Nebenreaktion.“ „Dieses überraschende Ergebnis kann nur mit Hilfe und Diskussion mit Forschern des ICL gefunden werden. Ich glaube, das Ergebnis unterstreicht die Bedeutung der Forschungszusammenarbeit.“
Dieser Arbeit gelang es, die Faradaysche Effizienz der Stickstoffreduktion zu Ammoniak bei Umgebungsdruck auf einfache Weise zu verbessern und die Chemie aufzudecken, die zu diesem Ergebnis führt. Die Feinabstimmung chemischer Prozessparameter verbesserte den Output dieser Reaktion dramatisch. Daher gibt es viele zuvor vernachlässigte elektrochemische Systeme, die für zukünftige Forschungsanstrengungen, die ihre detaillierten Mechanismen untersuchen, einen erneuten Besuch wert sein könnten. Die Forscher sind jetzt näher dran, die Synthese von Düngemittelvorläufern in der Industrie zu optimieren und den CO2-Fußabdruck seiner Produktion zu minimieren.