Katalyse: Kalzium ist der Überraschungssieger

Katalyse: Kalzium ist der Überraschungssieger

• Energieverbrauch bei der Herstellung von Ammoniak sinkt laut Wissenschaftlern deutlich

Thuwal, PTE, 14. August 2023

Ein neuer #Katalysator von Forschern der King Abdullah University of Science and Technology senkt die CO2 Emissionen bei der Herstellung von #Ammoniak drastisch. Heute wird zur Herstellung dieses Ausgangsmaterials vor allem für die Düngerproduktion bis zu drei Prozent der weltweit verbrauchten #Energie benötigt. Das Haber Bosch Verfahren, mit dem diese Chemikalie aus Wasserstoff und Stickstoff hergestellt wird, gehört zu denen mit dem höchsten #CO2 Ausstoß.

Völlig unterschätztes #Element

Hätten die Forscher nicht eindeutig bewiesen, dass ihr #Katalysator funktioniert, würde es niemand glauben. Denn Kalzium, ein in der Bauindustrie stark genutztes Element, hätte vorher niemand katalytische Eigenschaften zugetraut. Die industrielle Ammoniakproduktion erfolgt derzeit mit einem Eisenkatalysator, erfordert jedoch hohe Reaktionstemperaturen und drücke, was die Suche nach Alternativen veranlasst hat.

»Es ist bekannt, dass klassische Katalysatoren für die Ammoniaksynthese gut funktionieren, wenn sie auf Ruthenium, Eisen oder Kobalt basieren, während sie mit anderen frühen Übergangsmetallverbindungen wie Chrom extrem schlecht funktionieren«, sagt Chemiker Yoji Kobayashi. Doch in den vergangenen Jahren haben er und einige andere Experten mehrere effektivere Katalysatoren auf Basis von Titan, Vanadium und Chrom entdeckt und damit die Suche nach neuen Ammoniak Katalysatoren belebt.

Überprüfung von Reaktionsorten

Zu den neuen ungewöhnlichen Katalysatoren zählt Chromnitridhydrid, das zusätzlich Kalzium enthält. Kobayashi hat gezeigt, dass dies zur Ammoniakherstellung taugen könnte, zumindest theoretisch. Um den Beweis zu erbringen, hat er den Mechanismus des Katalysators mit der Formel Ca₃CrN₃H mit einer Kombination aus experimentellen und computergestützten Methoden genauer untersucht. »Es gibt an diesem Katalysator viele mögliche Reaktionsorte, und wir mussten jeden einzelnen daraufhin überprüfen, wie er zur Synthese von #Wasserstoff und #Stickstoff beiträgt.«

Das Ergebnis

Stickstoff wird von den Kalzium Atomen fixiert, sodass dieser mit Wasserstoff reagieren kann. Das Chrom Atom, dem die Forscher am ehesten katalytische Fähigkeiten zugetraut hatten, spielte dagegen keine Rolle. Wie viel Energie der Einsatz des neuen Katalysators einspart, muss noch exakt bestimmt werden.