Umweltfreundliche Herstellung: MIT-Team identifiziert Schlüsseleigenschaften für bessere Ammoniak-Katalysatoren

Ammoniak steht nach Schwefelsäure an zweiter Stelle unter den weltweit meistproduzierten Chemikalien. Fast die gesamte Menge fließt in die Düngemittelherstellung und sichert damit die Ernährung eines Großteils der Weltbevölkerung. Hergestellt wird Ammoniak jedoch fast ausschließlich über das mehr als hundert Jahre alte Haber-Bosch-Verfahren, das bis zu zwei Prozent der globalen Energie verbraucht und rund anderthalb Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen verursacht, weil es auf fossile Brennstoffe zur Wärmeerzeugung und Wasserstofferzeugung angewiesen ist. Forscher:innen am MIT haben nun einen computergestützten Ansatz entwickelt, der die Suche nach Katalysatoren für eine emissionsärmere Alternative erheblich beschleunigen könnte.

Eine elektrochemische Methode zur Ammoniakherstellung existiert bereits seit Jahren. Sie nutzt Strom statt Hitze und Druck, um Stickstoff und Wasserstoff zu Ammoniak zu verbinden. Bislang scheiterte sie jedoch an zu niedrigen Produktionsraten und mangelnder Wirtschaftlichkeit im industriellen Maßstab, denn selbst eine klimafreundlichere Technologie setzt sich nur durch, wenn sie mit dem etablierten Verfahren kostenmäßig mithalten kann. Den Schlüssel dazu liefert der eingesetzte metallische Katalysator, der die Reaktion an seiner Oberfläche steuert. Ein Katalysator, der den Energiebedarf senkt und gleichzeitig selektiver auf Ammoniak wirkt, würde unerwünschte Nebenreaktionen zurückdrängen und die Ausbeute steigern.

Bilge Yildiz, Professorin in den Fachbereichen Nuklearwissenschaften sowie Materialwissenschaften und -technik, und ihre Doktoranden Constantine Athanitis und Filip Grajkowski identifizierten die physikalischen Eigenschaften, die katalytische Aktivität bei der Ammoniakproduktion antreiben.

Übergangsmetallnitride als Ausgangspunkt

Materialforschung verlief historisch meist nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum: Forscher:innen nahmen ein bestehendes Material und veränderten es schrittweise, geleitet von chemischer Intuition. Bei Millionen möglicher Legierungskombinationen dauert dieser Prozess Jahre. Das MIT-Team setzte stattdessen auf Dichtefunktionaltheorie, ein Verfahren, das mithilfe der Quantenmechanik die Eigenschaften von Materialien simuliert, bevor sie überhaupt im Labor hergestellt werden. Statt Millionen Legierungen einzeln durchzurechnen, ermittelten die Forscher:innen zunächst, welche mikroskopischen Eigenschaften über die katalytische Aktivität bei der Stickstoffreduktion entscheiden, und nutzten diese Erkenntnis, um die Suche gezielt einzugrenzen.

Im Zentrum der Untersuchung standen Übergangsmetallnitride. Sie eignen sich besonders gut für die Stickstoffreduktionsreaktion, weil der im Katalysator gebundene Stickstoff selbst Teil der Reaktion wird. Dadurch entsteht eine Kette chemischer Schritte, bei denen jeder Schritt Energie für den nächsten liefert und so den nötigen Energieeinsatz insgesamt senkt. Dennoch bleiben Engpässe bestehen, etwa bei der Aufspaltung von Stickstoffmolekülen und beim Transfer von Wasserstoff. Mithilfe von maschinellem Lernen bestimmte das Team, welche Metalllegierungen diese Hürden am ehesten überwinden könnten.

Weg von der Theorie zur Praxis

Dane Morgan, Professor an der University of Wisconsin, der nicht an der Studie beteiligt war, bezeichnet die Arbeit als wichtigen Grundstein für die Entwicklung neuer Katalysatoren. Er weist zugleich darauf hin, dass die berechneten Materialien erst noch hergestellt und getestet werden müssen, bevor sich ein realer Nutzen zeigt.

Als nächsten Schritt plant das Team den Bau einer Reaktionszelle, die den Katalysator unter realen Betriebsbedingungen prüft. Erst im Labor wird sich zeigen, ob die identifizierten Materialien tatsächlich halten, was die Berechnungen versprechen.

via MIT