Electrochemical nitrogen reduction for ammonia synthesis using gas diffusion electrodes

  • Elektrochemische Stickstoffreduktion für die Ammoniaksynthese mit Gasdiffusionselektroden

Wei, Xin; Wessling, Matthias (Thesis advisor); Eichel, Rüdiger-Albert (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Heute ist Ammoniak ($\rm NH_3$) aufgrund seiner besonderen Bedeutung in der Agrarindustrie eines der wichtigsten Industrieprodukte. $\rm NH_3$ wird hauptsächlich durch direkte Reduktion von Stickstoff ($\rm N_2$) mit Wasserstoff ($\rm H_2$) nach dem Haber-Bosch-Verfahren hergestellt. Dieses energieintensive Verfahren, das unter extremen Bedingungen arbeitet, leidet jedoch unter einem hohen fossilen Energieeinsatz und emittiert somit eine beträchtliche Menge Kohlendioxid. Ein besonderer Fokus sollte auf der Entwicklung alternativer $\rm NH_3$ Herstellungsprozesse liegen, die nachhaltig und ökologisch und in Zukunft mit geringem Kohlenstoffausstoß und erneuerbarer Energie betrieben werden können. Die elektrochemische Stickstoffreduktion (eNRR) für die Ammoniaksynthese in wässrigen Elektrolyten erregt wegen ihres kohlenstofffreien Prozesses und der Unabhängigkeit von fossiler Energie zunehmende Aufmerksamkeit. Allerdings stellen die inhärenten Einschränkungen die Durchführbarkeit dieses Verfahrens immer noch in Frage. Die Inertheit von $\rm N_2$ und die Konkurrenz zur Wasserstoffentwicklungsreaktion mindern die eNRR-Leistung im Hinblick auf $\rm NH_3$-Produktionsrate und Stromeffizienz beträchtlich. Die meisten bekannten Verfahren nutzen $\rm N_2$-gesättigte wässrige Elektrolyte, welche die eNRR-Leistung aufgrund der extrem niedrigen Löslichkeit von $\rm N_2$ weiter reduziert. Bis jetzt sind keine Studien bekannt, in denen die eNRR durch Optimierung der Betriebsparameter weiter entwickelt wurde. Diese Studie beschäftigt sich mit der Verbesserung der eNRR under Normalbedingungen durch Optimierung des Verfahrens. Es wurden katalysatormodifizierte Gasdiffusionselektroden (GDEs) im elektrochemischen Membranreaktor eingesetzt, um die durch die geringe Löslichkeit von $\rm N_2$ verursachte Einschränkung zu überwinden. Im Detail wurden GDEs mit Platten- und Mikroröhrenkonfigurationen verwendet. Für die Platten-GDEs wurde der Einfluss der Reaktorkonfigurationen, der Elektrolyte und der GDE-Herstellung auf die eNRR-Leistung untersucht. Zusätzlich wurden zum ersten Mal mikrotubulare GDEs auf Basis von katalysatormodifizierten Kohlenstoff-Nanoröhren zur Ammoniaksynthese genutzt. Die mikrotubulare GDEs ermöglichen ein praktisches und verfügbares Katalysator-Evaluierungssystem mit Dreiphasengrenze für eNRR im Labormaßstab. Darüber hinaus wurde die Herstellung der mikrotubulare GDEs und der Einfluss der Benetzbarkeit auf die eNRR-Leistung untersucht. Als Ergebnis wurde eine signifikante Verbesserung erreicht. Die $\rm NH_3$-Produktionsrate stieg von $\rm 2,5\times 10^{-11}$ auf $\rm 2,1\times 10^{-9}$ $\rm mol/cm^{2}s$ und die Stromeffizienz von 0,002% auf 71,9%. Diese herausragende Leistungssteigerung um mehrere Größenordnungen wurde durch die Kombination von GDEs und dem eNRR-Prozess unter geeigneter Reaktorkonfiguration und Elektrolytwahl erreicht. Die in der vorliegenden Arbeit erzielten Ergebnisse ermutigen zu weiterer Forschung auf der Basis von GDEs für die elektrochemische Ammoniaksynthese. Insbesondere die Kombination der neuen Katalysatoren und GDEs ist es wert, weiter entwickelt zu werden.

Identifikationsnummern

Downloads