Neuartige Exsolution Katalysatoren für die elekrochemische Synthese von Ammoniak mittels protonen leitenden Zellen – NEXT PCC

• Antragsteller: Dr. Moritz Kindelmann
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548205046

Ammoniak (NH3) spielt durch seine Verwendung in der Düngemittelsynthese eine entscheidende Rolle in der globalen Nahrungsmittelproduktion. Allerdings führt die derzeitige Methode der NH3-Herstellung über das energieintensive Haber-Bosch-Verfahren zu erheblichen CO2-Emissionen und einem hohen Erdgasverbrauch. Um die angestrebten CO2-Reduktionsziele zu erreichen und die Produktion von Ammoniak kompatibler mit erneuerbaren Energieträgern zu machen, besteht ein dringender Bedarf zur Dekarbonisierung der Ammoniaksynthese. Die direkte elektrochemische Synthese von NH3 mithilfe von Festoxidzellen ist ein vielversprechender Weg, um diese Ziele zu erreichen. Von großem Interesse sind Festoxidzellen auf Basis protonenleitender Keramiken, die in der Lage sind die Sauerstoffentwicklungsreaktion (Erzeugung mobiler Protonen) und die Stickstoffreduktionsreaktion in einem System zu kombinieren. Erste Entwicklungen zeigen ein großes Potential, jedoch sind Faraday‘scher Wirkungsgrad und NH3-Syntheseraten protonenleitender Zellen (PCCs) sind noch nicht ausreichend für industrielle Anwendungen. Im nachfolgenden Forschungsprojekt wollen wir Metal Exsolution als neuartige Methode zur Synthese hochaktiver Katalysator-Nanopartikel (NP) für die elektrochemische Synthese von NH3 untersuchen. Metal Exsolution ist ein vielversprechender Prozess zur Synthese metallischer Nanopartikel durch die gezielte Reduktionsbehandlungen von Metalloxiden. Die Perowskit-Keramik BaZr0.5-xCe0.2Fe0.2RuxY0.1O3-delta (BZCFRuY) wird als exsolution-aktives Substratmaterial eingesetzt und wird eine direkte Herstellung von FeRu-Nanopartikeln auf der Perowskit-Oberfläche ermöglichen. Das Projekt wird sowohl die grundlegende Kinetik der Bildung sowie die Stabilität von FeRu unter Anwendungsatmosphären untersuchen. Neben Ex-situ-Untersuchungen mittels Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie werden wir modernste In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie anwenden, um die Morphologie und Zusammensetzung exsolvter FeRu-NPs direkt nach ihrer Bildung zu verstehen. Darüber hinaus werden wir diese Erkenntnisse nutzen um eine BZCFRuY-Exsolution-Elektrodenschicht zu entwickeln, welche in die protonenleitende Zellarchitektur an der DTU integriert werden kann. Dies wird uns eine anwendungsnahe Bewertung der elektrochemischen Leistungsfähigkeit sowie einen Vergleich mit verschiedenen hochmodernen Katalysatoren ermöglichen. Das beantragte Projekt wird neue grundlegende Erkenntnisse über die Bildung und Stabilität bi-metallischer Exsolution Katalysatoren liefern und deren Leistung für die direkte elektrochemische Synthese von Ammoniak aufklären.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Dänemark
• Gastgeber: Professor Dr. Søren Bredmose Simonsen; Professor Dr. Wolff-Ragnar Kiebach; Professor Dr. Peter Vang Hendriken