Es wirkt! Deutlich mehr Ammoniak-Ausbeute durch Magnetfeldeinfluss

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Forscher aus Berlin haben herausgefunden, wie man die Synthese von Ammoniak per Magnetfeld deutlich produktiver machen kann ...

Ammoniak wird in der Wasserstoffwirtschaft bis hin zur Produktion von Düngemitteln benötigt. Der Schlüssel für mehr Nachhaltigkeit und Effizienz sind aber neue Katalysatoren für die Gewinnung von Ammoniak. So benötigt die Ammoniaksynthese mit dem altbekannten Haber-Bosch-Verfahren zwischen einem und zwei Prozent der weltweiten Energie. Doch inzwischen ist das energieaufwändige Verfahren nicht mehr ohne Konkurrenz, heißt es vom Helmholtz-Zentrum Berlin. Denn ein neuerer Ansatz basiert auf der elektrochemischen Umwandlung von Nitrat in Ammoniak. Das Nitrat kommt zum Beispiel in Gülle vor, die in der intensiven Landwirtschaft massenhaft anfällt und insbesondere für die Gewässer sehr schädlich sein kann. Geeignete Katalysatoren müssten bei der Umwandlung von Nitrat zu Ammoniak allerdings die Entwicklung von Wasserstoff sowie von stickstoffhaltigen Nebenprodukten unterdrücken. Aber die Materialklasse der sogenannten Spinell-Übergangsmetalloxide gilt dafür als besonders aussichtsreich – insbesondere Dünnschichten aus dem Material CoFe₂O₄, einem Kobalt-Eisen-Oxid. Und legt man ein äußeres Magnetfeld ans System, das die Katalyse durchführt, kann die Effizienz und Selektivität enorm gesteigert werden, wie des aus Berlin heißt.

Die Wirksamkeit des Magnetfeldes konnte eindrucksvoll belegt werden

Am besten funktionierten die CoFe₂O₄-Schichten, die unter einem Magnetfeld von einem Tesla Stärke produziert wurden, heißt es weiter. Im Vergleich zu CoFe₂O₄ ohne Magnetfeldeinfluss konnte man die dreifache Menge Ammoniak gewinnen, wie die Forscher betonen. Vergleiche man die Ammoniak-Ausbeute des unter Magnetfeldeinfluss stehenden CoFe₂O₄-Katalysators mit der von reinem Eisenoxid Fe₃O₄, das ebenfalls bei einem Magnetfeld von einem Tesla synthetisiert wurde, sei sie sogar um ein Vielfaches höher (man spricht von 22×). Das belege, dass Kobalt bei der Nitratreduktion eine entscheidende Rolle spiele. Ergänzende DFT-Berechnungen belegen, dass Kobalt tatsächlich die konkurrierende Wasserstoffentwicklung unterdrückt und gleichzeitig die Nitratumwandlung fördert. Das angelegte Magnetfeld stabilisiert demnach die katalytisch aktiven Co²⁺-Ionen an oktaedrischen Stellen, was offensichtlich die kinetischen Barrieren für die Nitratreduktion absenkt.

Je stärker das Magnetfeld, desto rauer die Oberfläche

Damit ist außer der Temperatur und dem Druck auch ein Magnetfeld ein wirkungsvoller Parameter, um die Kationenverteilung, die magnetischen Domänen und die Oberflächenzustände während des Wachstums der Dünnschichten aus CoFe₂O₄ zu kontrollieren. Obwohl das Magnetfeld nur während des Dünnschichtwachstums angelegt wird, wirken sich die Verbesserungen danach auch im feldfreien elektrochemischen Betrieb dauerhaft aus, wie die Berliner feststellen konnten. Das mache den neuen Ansatz für praktische Anwendungen besonders vielversprechend, weil während der Elektrolyse kein externes Magnetfeld erforderlich ist. Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop (siehe Bild) zeigen dabei, dass die Oberflächen der Dünnschichten systematisch umso rauer – und damit größer – werden, je stärker das Magnetfeld während der Synthese war. Nun hofft man, dass diese Ergebnisse eine breitere Erforschung von magnetfeldunterstützten Strategien zur maßgeschneiderten Herstellung von Elektrokatalysatoren anregen werden.

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