15. März 2024 | Forschende des Instituts für Anorganische Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben einen Katalysator entwickelt, mit dem Ammoniak-Cracking schneller und günstiger werden soll. Ammoniak gilt als das wichtigste Trägermedium für Schiffstransporte von großen Wasserstoffmengen über weite Distanzen. Die Freisetzung des Wasserstoffs am Zielhafen ist dabei ein zentraler Bottleneck der Wertschöpfungskette.
Der neue Katalysator soll die Wasserstoff-Freisetzung/„Ammoniak-Reformierung“ oder „-Cracking“ beschleunigen. Dadurch würden die Umwandlungsverluste verringert und der gesamte Prozess deutlich kosteneffizienter, teilte die CAU am Mittwoch (13. März) mit. Die Forschungen sind Teil des Projektes „AmmoRef“, das zum Wasserstoffleitprojekt TransHyDE des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gehört. Ihre Ergebnisse präsentierten die Forscher kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Communications.
Laut Arbeitsgruppenleiter Malte Behrens, Professor für Anorganische Chemie an der CAU, bestehe der Katalysator aus günstigen Basismetallen wie Eisen und Cobalt. Zudem habe das Team eine „besondere Herstellungsmethode entwickelt, die eine sehr hohe Metallbeladung des Katalysators erlaubt“. So bestünden bis zu 74 % des Materials aus Metallpartikeln. Diese wechselten sich mit Trägerpartikeln ab, sodass dazwischen Hohlräume im nanoskaligen Bereich entstehen – wie ein poröser, metallischer Nano-Schwamm.
„Entscheidend ist außerdem die Kombination der beiden Metalle in einer gemeinsamen Legierung“, so Behrens. Einzeln seien die Metalle katalytisch weniger aktiv. Durch die Kombination entstünden hochaktive Oberflächen, deren Eigenschaften sonst nur von weitaus teureren Edelmetallen bekannt seien.
Die Aufnahme mit einem Rastertransmissionselektronenmikroskop zeigt die schwammartige Oberfläche des Katalysators auf der Nanoebene. Der beladene Katalysator enthält viele bi-metallische Eisen-/Cobaltpartikel, was ihn besonders aktiv macht (© Franz-Philipp Schmidt, Thomas Lunkenbein, adaptiert: Shilong, C. et al. Nature Communications (2024), https://creativecommons.org/licenses/by/4.0)
H2-Trägermedium Ammoniak
Ammoniak kann aufgrund seiner Struktur (NH3) große Wasserstoffmengen binden. Zudem existiere bereits eine ausgereifte Infrastruktur für den internationalen Handel. Des Weiteren lasse sich Ammoniak für den Transport schon bei -33 °C und damit vergleichsweise einfach verflüssigen, so Chemiker Dr. Shilong Chen, Leiter des Kieler Teilprojekts im TransHyDE-Projekt AmmoRef.
In AmmoRef kooperieren Wissenschaftler aus dem CAU-Forschungsschwerpunkt KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) unter anderem mit Kolleg:innen aus Berlin, Essen, Karlsruhe und Mülheim an der Ruhr zusammen. AmmoRef ist eines von zehn TransHyDE-Projekten, die vom BMBF gefördert werden. Darin wollen Wissenschaftler:innen von insgesamt acht Institutionen die Technologien für den Wasserstofftransport verbessern. Die Ergebnisse fließen in Handlungsempfehlungen für die nationale Wasserstoffinfrastruktur ein.
Die Redaktion der „Nature Communications“ hat den Artikel als „Editors‘ Highlight“ als „besonders interessant“ hervorgehoben. Beteiligt waren neben der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) das Karlsruhe Institute of Technology (KIT), das Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion, Mülheim an der Ruhr (MPI CEC), die Universität Duisburg-Essen (UDE) und das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin (FHI).
