Magnetfeld während der Synthese des Katalysators verdreifacht Ammoniakausbeute
Die Rasterelektronenmikroskopie zeigt CoFe2O4-Dünnschichten nach ihrem Einsatz als Elektrokatalysator für die Ammoniaksynthese aus Nitrat. Besonders auffällig ist die deutlich „rauere“ Oberfläche des bei 1 Tesla hergestellten CoFe2O4. © S. Mathur /Univ. Cologne
Ein externes Magnetfeld während der Synthese von CoFe₂O₄-Dünnschichten verdreifacht beim Einsatz in der Elektrokatalyse die Ammoniakausbeute. Das Magnetfeld verändert die Oberflächenzustände der Spinell-Oxid-Dünnschichten, so dass die katalytisch aktiven Zentren stärker exponiert sind. Im Fachjournal 'Advanced Functional Materials' zeigt ein Team um Marcel Risch, HZB, und Sanjay Mathur, Universität Köln, eine skalierbare Strategie, um Elektrokatalysatoren der nächsten Generation für effiziente und nachhaltige chemische Umwandlungen zu entwickeln.
Von der Chemieindustrie über die Wasserstoffwirtschaft bis hin zur Produktion von Düngemitteln auf Basis von Ammoniak: Der Schlüssel für mehr Nachhaltigkeit und Effizienz sind neue Katalysatortechnologien. So benötigt die Ammoniaksynthese mit dem bekannten Haber-Bosch-Verfahren zwischen 1 und 2 % der weltweiten Energie und ist für fast 1 % der jährlichen Treibhausgasemissionen verantwortlich. Doch inzwischen ist das energieaufwändige Haber-Bosch-Verfahren nicht mehr alternativlos. Ein neuerer Ansatz basiert auf der elektrochemischen Umwandlung von Nitrat in Ammoniak. Nitrat fällt zum Beispiel als Gülle in der intensiven Landwirtschaft massenhaft an und ist insbesondere für die Gewässer sehr schädlich. Geeignete Katalysatoren müssen bei der Umwandlung von Nitrat zu Ammoniak allerdings die Entwicklung von Wasserstoff sowie stickstoffhaltigen Nebenprodukten unterdrücken. Die Materialklasse der Spinell-Übergangsmetalloxide gilt dabei als besonders aussichtsreich, insbesondere Dünnschichten aus CoFe₂O₄.
Ein äußeres Magnetfeld während der Synthese dieser Katalysatoren kann deren Effizienz und Selektivität enorm steigern, zeigt nun eine Studie, die von Dr. Marcel Risch, HZB, und Prof. Dr. Sanjay Mathur, Universität Köln geleitet wurde. „Durch ein magnetisches Feld während der chemischen Gasphasenabscheidung haben wir beabsichtigt, die Oberflächenzustände und Kationenverteilung in CoFe₂O₄-Dünnschichten zu modifizieren, um die Effizienz der Elektrokatalysatoren zu verbessern“, sagt Mathur, der für die Synthese verantwortlich war. Dies war erfolgreich.
Am besten funktionierten die CoFe₂O₄-Schichten, die unter einem Magnetfeld von 1 Tesla produziert wurden: Im Vergleich zu CoFe₂O₄ ohne Magnetfeld produzierten sie dreimal mehr Ammoniak, was die Wirksamkeit des magnetfeldgesteuerten Oberflächen-Engineerings belegt. Vergleicht man die Ammoniak-Ausbeute des CoFe₂O₄-1T-Katalysators mit der von reinem Eisenoxid Fe3O4-1T, das ebenfalls unter einem Magnetfeld von einem Tesla synthetisiert wurde, ist sie sogar um ein Vielfaches (22) höher. Dies zeigt, dass Kobalt bei der Nitratreduktion eine entscheidende Rolle spielt. Ergänzende DFT-Berechnungen belegen, dass Kobalt tatsächlich die konkurrierende Wasserstoffentwicklung unterdrückt und gleichzeitig die Nitratumwandlung fördert. „Das angelegte Magnetfeld stabilisiert die katalytisch aktiven Co²⁺-Ionen an oktaedrischen Stellen, was offensichtlich die kinetischen Barrieren für die Nitratreduktion absenkt“, erläutert Risch.
Damit ist neben Temperatur und Druck auch ein Magnetfeld ein wirkungsvoller Parameter, um Kationenverteilung, magnetische Domänen und Oberflächenzustände während des Wachstums der Dünnschichten zu kontrollieren. Obwohl das Magnetfeld nur während des Dünnschichtwachstums angelegt wird, wirken sich die Verbesserungen danach auch im feldfreien elektrochemischen Betrieb dauerhaft aus. Das macht unseren Ansatz für praktische Anwendungen besonders vielversprechend, da während der Elektrolyse kein externes Magnetfeld erforderlich ist“, sagt Risch.
Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop zeigen, dass die Oberflächen der CoFe2O4-Dünnschichten systematisch umso rauer – und damit größer – sind, je stärker das Magnetfeld während der Synthese war. „Wir hoffen, dass diese Ergebnisse eine breitere Erforschung von magnetfeldunterstützten Strategien zur maßgeschneiderten Herstellung von Elektrokatalysatoren anregen werden“, sagt Mathur.
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