Forscher in Deutschland haben bedeutende Fortschritte im Verständnis von Katalysatoren gemacht, die für die Beschleunigung chemischer Reaktionen in verschiedenen Industrien, einschließlich der Kraftstoffproduktion und Pharmazie, unerlässlich sind. Ihre Ergebnisse, veröffentlicht am 29. Januar 2025, zeigen unerwartete Verhaltensweisen von Katalysatoren, die zu effizienteren Methoden der Ammoniakproduktion führen könnten.
Katalysatoren, die Struktur und Zusammensetzung unter elektrischem Potential ändern, wurden mit fortschrittlichen Techniken wie der elektrochemischen Flüssigkeitszellentransmissionselektronenmikroskopie (EC-TEM) untersucht. Dies ermöglichte es dem Team, zu beobachten, wie sich kubische Cu2O-Vorkatalysatoren während der Nitratreduktionsreaktion verhalten, einem Prozess, der entscheidend für die Umwandlung von Abfallnitraten in Ammoniak, einem wichtigen Bestandteil von Düngemitteln, ist.
Die Studie ergab, dass Cu2O-Würfel nicht schnell in ihren bevorzugten metallischen Zustand übergehen. Stattdessen können sie über längere Zeiträume als Mischung aus Cu-Metall, Cu-Oxid und Cu-Hydroxid verbleiben. Die Zusammensetzung dieser Mischung hängt stark vom angelegten elektrischen Potential, der umgebenden chemischen Umgebung und der Reaktionsdauer ab.
Dr. See Wee Chee, Gruppenleiter am Fritz Haber Institut, bemerkte: "Es ist unerwartet, dass wir während der Reaktion verschiedene Phasen erhalten, insbesondere wenn wir von einer einzigen Form eines Einzelelement-Vorkatalysators ausgehen. Dieser gemischte Zustand kann lange aufrechterhalten werden, was wertvolle Einblicke für die Gestaltung effizienterer Katalysatoren bietet."
Prof. Beatriz Roldán, Direktorin der Abteilung für Interface Science, betonte die umwelttechnischen Implikationen dieser Forschung. Traditionelle Ammoniaksynthesemethoden sind energieintensiv und basieren auf fossilen Brennstoffen. Der neue Ansatz zielt darauf ab, die Kohlenstoffemissionen durch die Nutzung eines direkten elektrokatalytischen Weges, der durch erneuerbare Elektrizität betrieben wird, zu reduzieren.
Dieser Durchbruch verbessert nicht nur unser Verständnis der Katalysator-Dynamik, sondern ebnet auch den Weg für innovative Strategien in der Ammoniakproduktion, die potenziell landwirtschaftliche Praktiken transformieren und den Kohlenstoff-Fußabdruck der Düngemittelherstellung reduzieren könnten.