Neuer Katalysator beschleunigt Freisetzung von Wasserstoff aus Ammoniak

Großprojekt mit Kieler Beteiligung will  Import  grünen Wasserstoffs erleichtern

Deutschland kann seinen Bedarf an klimafreundlichem Wasserstoff wohl nur durch Importe decken, zum Beispiel aus Südamerika oder Australien. Für solche langen Transportwege lässt sich Wasserstoff zum Beispiel in Ammoniak umwandeln. Um die anschließende Rückgewinnung des Wasserstoffs zu erleichtern, haben Forschende des Instituts für Anorganische Chemie der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) zusammen mit ihren Kooperationspartnern (BASF, CLARIANT, Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion (MPI CEC), TU Berlin, thyssenkrupp) laut einer Medienmitteilung vom 13.03.2024 einen aktiveren und kostengünstigeren Katalysator entwickelt. Die Ergebnisse sind im Wasserstoff-Leitprojekt TransHyDE des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) entstanden. Der Artikel ist am 29.01.2024 open access in Nature Communications erschienen.

Infrastruktur für Ammoniak ist bereits vorhanden

Gastanks (Wasserstoff und Kohlendioxid) und PV-Wand in Berlin-Adlershof – Foto © Gerhard Hofmann, Agentur Zukunft

Die Möglichkeit, Energie aus Wind- oder Solarkraft zu speichern, spielt für die Energiewende eine zentrale Rolle. „Die Speicherung von Energie in Form von chemischen Verbindungen wie Wasserstoff hat viele Vorteile. Die Energiedichte ist hoch und auch die chemische Industrie benötigt Wasserstoff für viele Prozesse“, sagt Malte Behrens, Professor für Anorganische Chemie an der CAU. Außerdem lässt sich durch Elektrolyse mit Strom aus erneuerbaren Energiequellen „grüner Wasserstoff“ herstellen, ohne dass CO2 entsteht.

Wasserstoff aus Regionen zu importieren, in denen Wind- und Solarstrom günstig ist, ist allerdings nicht einfach. Eine Alternative ist die chemische Umwandlung von Wasserstoff zu Ammoniak, das selbst bereits relativ viel Wasserstoff enthält. Für den Transport von Ammoniak über weite Strecken existiert außerdem bereits eine ausgereifte Infrastruktur. „Ammoniak lässt sich zum Transportieren einfach verflüssigen. Es wird heute schon im Megatonnenmaßstab hergestellt, weltweit verschifft und gehandelt und ist daher für uns interessant“, sagt Chemiker Dr. Shilong Chen, Leiter des Kieler Teilprojekts im TransHyDE-Projekt AmmoRef. Hier arbeiten die beiden Wissenschaftler aus dem CAU-Forschungsschwerpunkt KiNSIS (Kiel Nano, Surface and Interface Science) unter anderem mit Kolleginnen und Kollegen aus Berlin, Essen, Karlsruhe und Mülheim/Ruhr zusammen. Gemeinsam erforschen sie, wie sich Wasserstoff nach dem Transport wieder aus Ammoniak freisetzen lässt. Ihr neu entwickelter Katalysator könnte die Rückgewinnung von Wasserstoff deutlich beschleunigen.

AmmoRef ist eins von zehn TransHyDE-Projekten, die vom BMBF gefördert werden.  Dabei wollen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von insgesamt acht Institutionen die Technologien für den Wasserstofftransport verbessern. Die Ergebnisse fließen in Handlungsempfehlungen für die nationale Wasserstoff-Infrastruktur ein.

Metallkombination macht Katalysator besonders aktiv

„Ein Katalysator hat die Aufgabe, eine chemische Reaktion zu beschleunigen und ist damit direkt für die Effizienz von Stoff- und Energiewandlungen verantwortlich“, erklärt Behrens. Je schneller die Ammoniakreformierung ablaufen kann, desto geringer sind die Umwandlungsverluste, die durch die chemische Speicherung des Wasserstoffs in Ammoniak entstehen. „Unser Katalysator hat zwei Besonderheiten“, betont Chen. „Zum einen besteht er aus den relativ günstigen Basismetallen Eisen und Cobalt. Zum anderen haben wir eine besondere Herstellungsmethode entwickelt, die eine sehr hohe Metallbeladung des Katalysators erlaubt.“ So bestehen bis zu 74 Prozent des Materials aus aktiven Metallpartikeln. Diese wechseln sich mit Trägerpartikeln ab, so dass dazwischen Hohlräume im nanoskaligen Bereich entstehen – wie ein poröser, metallischer Nano-Schwamm. „Entscheidend ist außerdem die Kombination der beiden Metalle in einer gemeinsamen Legierung“, erläutert Arbeitsgruppenleiter Behrens. Einzeln sind beide Metalle katalytisch weniger aktiv. Durch die Kombination entstehen hochaktive, bi-metallische Oberflächen mit Eigenschaften, die sonst nur von sehr viel teureren Edelmetallen bekannt sind.

„Im AmmoRef-Konsortium, an dem auch Industrieunternehmen beteiligt sind, wollen wir diesen Katalysator weiter untersuchen und aus der Grundlagenforschung in die Anwendung übertragen“, beschreibt Behrens die kommenden Schritte. Als nächstes arbeitet das Kieler Team daran, den Katalysator in größeren Mengen herzustellen.

Die Redaktion der „Nature Communications“ hat den Artikel im „Editors‘ Highlight“ als „besonders interessant“ hervorgehoben. Beteiligt waren neben der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) das Karlsruhe Institute of Technology (KIT), das Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion, Mülheim an der Ruhr (MPI CEC), die Universität Duisburg-Essen (UDE) und das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin (FHI).

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