Ammoniak (NH3) spielt eine entscheidende Rolle in der modernen Landwirtschaft, hauptsächlich produziert durch den Haber-Bosch-Prozess. Seit über einem Jahrhundert verlässt sich diese Methode auf den eisenbasierten Katalysator 'Promoted-Fe', der in der Effizienz unübertroffen bleibt. Ein Forschungsteam des Instituts für Wissenschaft Tokio hat jedoch einen bahnbrechenden Fortschritt im Katalysatordesign erzielt, der die Ammoniakproduktion transformieren könnte.
In der am 23. Januar 2025 veröffentlichten Studie im Journal Advanced Science stellt das Team unter der Leitung von Professor Michikazu Hara eine neue Katalysatorstruktur vor, die die NH3-Produktionsraten erheblich steigert. Traditionelle Katalysatoren bestehen typischerweise aus Übergangsmetallpartikeln auf einem Niedrigdichte-Trägersubstrat, was zwar die aktive Oberfläche erhöht, jedoch die Volumeneffizienz des Katalysators einschränkt.
Der innovative Ansatz des Teams aus Tokio bestand darin, Katalysatoren mit einer inversen Struktur zu schaffen, die größere Eisenpartikel mit Aluminiumhydrid (AlH) und Kalium (K+) verstärken. Dieses Design ermöglicht eine höhere Ammoniakproduktionsrate pro Katalysatorvolumen und erreicht Raten, die etwa dreimal höher sind als die von Promoted-Fe. Bemerkenswerterweise arbeitet dieser neue Katalysator sogar bei Temperaturen unter 200 °C, einem Bereich, in dem traditionelle Methoden versagen.
Hara betont: "Der neue Katalysator übertrifft nicht nur Promoted-Fe in der Leistung, sondern bleibt auch stabil und produziert Ammoniak über 2.000 Stunden ohne Aktivitätsverlust." Die Forschung zeigt, dass die inverse Struktur die Elektronenspende fördert und die aktiven Stellen erhöht, was zu einem effizienteren Spalten von N2 führt, dem geschwindigkeitsbestimmenden Schritt in der Ammoniaksynthese.
Diese Fortschritte haben erhebliche Auswirkungen auf die industrielle Ammoniakproduktion, insbesondere im Kontext der Bekämpfung des Klimawandels. Die einfache Herstellung dieser Katalysatoren aus reichlich vorhandenen Materialien könnte zu nachhaltigeren landwirtschaftlichen Praktiken und einer verringerten Umweltbelastung führen.
Das Institut für Wissenschaft Tokio, das aus der Fusion der Tokyo Medical and Dental University und des Tokyo Institute of Technology entstanden ist, hat sich zum Ziel gesetzt, die Wissenschaft zum Nutzen der Gesellschaft voranzubringen, was diese Entdeckung zu einem entscheidenden Schritt zur Verbesserung der globalen Ernährungssicherheit und Nachhaltigkeit macht.