Untersuchung der photokatalytischen und photothermokatalytischen Ammoniak-Produktion aus molekularem Stickstoff und Wasser bei erhöhten Temperaturen und Drücken

• Antragsteller: Dr. Jonathan Bloh; Professor Dr. Marcus Rose
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 502146784

Ammoniak ist eine der wichtigsten Basischemikalien und für unsere chemische Industrie sowie die Landwirtschaft unerlässlich. Seine Produktion mittels des Haber-Bosch-Verfahrens ist jedoch sehr energieintensiv und verursacht bis zu 2% der weltweiten CO2-Emissionen. Die photokatalytische Reduktion von Stickstoff bei gleichzeitiger Wasseroxidation ist daher eine interessante Alternative für die nachhaltige Produktion von Ammoniak. Aktuell ist über die Reaktion aber erst wenig bekannt und grundlegende Fragestellungen zum Einfluss von verschiedenen Reaktionsparametern sowie dem Reaktionsmechanismus sind weitestgehend ungeklärt – diese Wissenslücke soll das vorliegende Projekt füllen.Der erste Schritt dabei ist die Untersuchung, welchen Einfluss die Reaktionstemperatur hat. Auch wenn bei photokatalytischen Reaktionen die Energie durch die hochenergetischen Photonen bereitgestellt wird, so haben wir in der Vergangenheit in vielen Fällen einen sehr positiven Effekt erhöhter Reaktionstemperaturen festgestellt. Auch unsere Vorarbeiten zur photokatalytischen Stickstoffreduktion deuten hier auf ein immenses Potential hin. Davon ausgehend werden systematisch verschiedene Temperaturen und deren Einfluss auf die Reaktionsrate untersucht. The nächste ungeklärte Frage ist, ob die Verfügbarkeit von Stickstoff am Katalysator ein limitierender Faktor ist. Um dies zu untersuchen werden wir mit erhöhtem Druck arbeiten, um direkt die Konzentration von Stickstoff in der wässrigen Suspension zu erhöhen.Unter diesen Reaktionsbedingungen (hohe Temperatur und Druck) ist es nicht auszuschließen, dass die direkte photokatalyschen Reduktion von N2 auch überlagert ist durch eine photokatalytische und/oder thermische „Haber-Bosch“-Reaktion, d.h. die Bildung von Ammoniak aus den Elementen, wobei das dafür notwendige H2 aus Wasserspaltung stammen könnte. Wir werden daher im Detail untersuchen, unter welchen Bedingungen diese Reaktionen ablaufen können und welchen Beitrag sie zur beobachteten Gesamtreaktionsrate leisten. Diese Erkenntnisse sind wichtig für zukünftige Katalysatorentwicklungen, da sie bestimmen, ob die (Photo)Katalysatoren die Wasserstoffbildung unterdrücken müssen oder nicht.Als Photokatalysatoren werden wir die Materialklasse der Bismutoxyhalogene (BIOX, X=Cl, Br, I) systematisch untersuchen. Dabei werden wir durch Variation der Synthesebedinungen die Stöchiometrie der Halogene, die Partikelmorphologie und -größe variieren und die photokatalytische Aktivität bei der N2-Reduktion bestimmen. Dabei wird auch untersucht, ob die Materialien unter den intensivierten Bedingungen in diesem Projekt ausreichend stabil sind. Schließlich werden durch die Analyse der Reaktionsrate bei verschiedenen Reaktionsbedingungen mittels kinetischer Modellierung grundlegende optoelektronische und katalytische Materialparameter bestimmt und mit den physikalischen Eigenschaften der Materialien korreliert.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2370: Verknüpfung von Katalysatoren, Mechanismen und Reaktorkonzepten für die Umwandlung von Distickstoff durch elektrokatalytische, photokatalytische und photoelektrochemische Methoden ("Nitroconversion")