Forschungen japanischer Wissenschaftler an der Universität Hiroshima zeigen einen Weg, Ammoniak aus seinen konstituierenden Stickstoff- und Wasserstoffmolekülen bei Umgebungsdruck herzustellen.
Die neue Studie, veröffentlicht am 2. Februar in der Zeitschrift für Physikalische Chemie C, demonstriert einen Prozess mit Potenzial für die Speicherung und Übertragung erneuerbarer Energie, der auf einem verteilten und schwankenden Netzwerk von Ressourcen wie Sonne und Wind beruht. „Das ultimative Ziel dieser Arbeit ist es, das kleine NH zu etablieren3 Produktionsprozess zur effektiven Nutzung erneuerbarer Energien“, sagte Studienautor und außerordentlicher Professor Hiroki Miyaoka von der Universität Hiroshima Naturwissenschaftliches Zentrum für Grundlagenforschung und Entwicklung.
Schematische Darstellung kleinmaßstäblicher und verteilter NH3-Syntheseprozesse, die erforderlich sind, um die fluktuierende und lokalisierte erneuerbare Energie effektiv zu nutzen. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Hiroki Miyaoka, Universität Hiroshima)
Ammoniak (NH3) wurde kürzlich als herausragendes Energieträgermolekül erkannt. 1918 erhielt der deutsche Chemiker Fritz Haber den Nobelpreis für die Synthese von Ammoniak aus seiner Elementeund ebnet den Weg für die bedeutende Rolle von Ammoniak in industriellen Düngemitteln. Die Verwendung von Ammoniak in erneuerbaren Energieanwendungen war jedoch durch die verfügbaren Verfahren zu seiner Synthese begrenzt. Der Haber-Bosch Prozessdas in der industriellen Produktion von Ammoniak verwendet wird, erfordert hohe Temperaturen und Drücke, Bedingungen, die normalerweise in der Speicher- und Transportinfrastruktur für erneuerbare Energien nicht verfügbar sind.
Das NH3 Der Syntheseprozess über Chemical Looping unter Verwendung von Lithiumhydrid (LiH) beginnt mit der Kombination von LiH mit N2 (molekularer Stickstoff) bei Umgebungsdruck und Temperaturen bis zu 500 °C, um ein Lithiumimidprodukt (LiNH2). Das Lithiumimid reagiert dann mit Wasserstoffgas (H2) zu Ammoniak. Die Reaktionszeit für die Ammoniaksynthese aus seinen konstituierenden Molekülen in diesem Prozess beträgt mehr als 1000 Minuten. Seine Geschwindigkeit wird durch die Verklumpung (Agglomeration) der Reaktionsprodukte zu großen Partikeln (mehr als 200 μm) begrenzt, die nicht viel Oberfläche haben, die dem Wasserstoffgas ausgesetzt ist. Für seine praktische Anwendung in der verteilten erneuerbaren Energie ist diese verlängerte Reaktion, die extreme Bedingungen erfordert, ein Hindernis für die Ammoniakproduktion.
In der neuen Studie experimentierten die Forscher mit der Verwendung von Lithiumoxid (Li2O) als molekulares Gerüst zur Synthese von Ammoniak unter Umgebungsdruck und Temperaturen unter 400 °C, Bedingungen, die in nichtindustriellen Umgebungen leicht nachzuahmen sind. Sie kombinierten den Reaktanten Lithiumhydrid mit Lithiumoxid und stellten fest, dass das Lithiumhydrid ein Verklumpen verhinderte und kleinere Partikel (weniger als 50 μm) mit mehr Oberfläche für chemische Reaktionen freigab. Unter Verwendung dieser nicht agglomerierten Reaktanten und Zugabe des gasförmigen Wasserstoffs, der im letzten Schritt der Ammoniaksynthese verwendet wurde, konnten sie Ammoniak schneller produzieren; die Reaktion beschleunigte sich erheblich.
Wenn Ammoniak schnell mit relativ einfacher Ausrüstung unter moderaten Temperatur- und Druckbedingungen hergestellt werden kann, ebnet es den Weg für eine Ammoniakproduktion in kleinerem Maßstab.
„Der Chemical-Looping-Prozess ist nützlich, um das NH im kleinen Maßstab zu etablieren3 Syntheseverfahren, das bei niedrigerem Druck und niedrigerer Temperatur mit höherer Umwandlungsausbeute betrieben werden kann als das herkömmliche katalytische Verfahren“, sagte Miyaoka. Das neue Verfahren vermeidet auch die Notwendigkeit teurer Metallkatalysatoren – wie elementares Ruthenium (Ru) – die in der industriellen Synthese von Ammoniak verwendet werden.
Die Ergebnisse dieser Studie sind für die erneuerbare Energieerzeugung relevant, die tendenziell stärker verteilt ist als die industrielle Produktion. Das im Labor in Hiroshima entwickelte Verfahren zur effizienten Herstellung von Ammoniak unter nahezu Umgebungsbedingungen ist die Grundlage für solche Anwendungen.
„Als nächster Schritt werden die praktischen Reaktionsprozesse zur effektiven Kontrolle des oben genannten NH3 Die Synthese sollte aus chemisch-technischer Sicht betrachtet werden“, sagte Miyaoka.
Repräsentative Ergebnisse in dieser Arbeit für NH3 Synthese über Chemical Looping von LiH. (links) Reaktionsausbeute als Funktion der Zeit für den N2-Dissoziationsprozess von LiH und LiH+Li2O, (Mitte) mikroskopische Bilder von LiH und LiH+Li2O nach der N2-Dissoziationsreaktion, (rechts) Reaktionsausbeute als Funktion der Zeit für NH3 Synthese-/Regenerationsprozess beider Proben. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Hiroki Miyaoka, Universität Hiroshima)
Zu den Autoren der Veröffentlichung gehören Kentaro Tagawa, Hiroyuki Gi, Keita Shinzato, Hiroki Miyaoka und Takayuki Ichikawa von der Graduate School of Advanced Science and Engineering der Universität Hiroshima.
Die Japan Society for the Promotion of Science finanzierte diese Forschung.
Über das Studium:
- Zeitschrift: Das Journal of Physical Chemistry C
- Titel: Verbesserung der Kinetik der Ammoniaksynthese bei Umgebungsdruck durch den chemischen Schleifenprozess von Lithiumhydrid
- Autoren: Kentaro Tagawa, Hiroyuki Gi, Keita Shinzato, Hiroki Miyaoka und Takayuki Ichikawa
- DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c09902
Profil von Associate Professor Hiroki Miyaoka.
Mit freundlicher Genehmigung von Universität Hiroshima
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