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Forschende am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft haben in Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion und Clariant neue Einblicke in die komplexen Katalysatorsysteme gewonnen, die in der industriellen Ammoniakproduktion verwendet werden. Durch die Untersuchung der strukturellen Entwicklung dieser Katalysatoren hebt die Studie die entscheidende Rolle von Promotoren bei der Verbesserung von Leistung und Stabilität hervor.
Wichtige Aspekte
- Katalysatoraktivierung: Identifiziert als der kritische Schritt, in dem der aktive Katalysator gebildet wird.
- Rolle der Promotoren: Promotoren bilden zementartige Phasen, die eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Katalysatorleistung spielen. Darüber hinaus ist ihre Verteilung innerhalb des Katalysators entscheidend für die erhöhte Aktivität und Stabilität des Systems.
- Strukturelle Einblicke: Die aktive Struktur besteht aus einer speziellen Form von porösem Eisen, das von mobilen Kaliumarten bedeckt ist.
- Stabilitätsfaktoren:*Mineralphasen, die Oxide von Aluminium, Silizium und Kalzium enthalten, tragen zur strukturellen Stabilität bei.
Enthüllung der Geheimnisse des Katalysators
Das Haber-Bosch-Verfahren, ein Eckpfeiler der industriellen Ammoniakproduktion, ist seit über einem Jahrhundert weitgehend unverändert geblieben. Forschende der Abteilungen Anorganische Chemie und Interface Science des Fritz-Haber-Instituts, des Max-Planck-Instituts für Chemische Energiekonversion und Clariant haben jedoch bedeutende Fortschritte im mechanistischen Verständnis des hochkomplexen industriellen Katalysators gemacht, der diesen Prozess antreibt. Durch den Einsatz fortschrittlicher Charakterisierungstechniken wie der operando Rasterelektronenmikroskopie und der Röntgen-Photoelektronenspektroskopie bei nahezu Umgebungsdruck hat das Team die komplexen Wechselwirkungen innerhalb der multipromotierten
Ammoniaksynthesekatalysatoren entschlüsselt.
Prof. Thomas Lunkenbein, der korrespondierende Autor, erklärte: "Unsere Forschung bietet ein tieferes Verständnis der inneren Funktionsweise des Katalysators und zeigt, wie Promotoren und strukturelle Transformationen zu seiner Effizienz und Stabilität beitragen. Dieses Wissen ist entscheidend für die Entwicklung der nächsten Generation von Katalysatoren, die sowohl effektiver als auch nachhaltiger sind."
Die entscheidende Rolle der Aktivierung
Die Studie zeigt, dass die Aktivierungsphase entscheidend für die Bildung der aktiven Katalysatorkonfiguration ist. Während dieser Phase erleichtert das Zusammenspiel verschiedener Promotorphasen die Umwandlung der Katalysatorstruktur in eine poröse Einheit mit einer speziellen Oberflächenabdeckung, die den Weg für ihre verbesserte Leistung und Langlebigkeit ebnet.
Promotoren: Die unbesungenen Helden
Promotoren, einschließlich Kalium-, Kalzium- und Aluminiumoxiden, sind entscheidend für die Stabilisierung der Katalysatorstruktur und die Steigerung ihrer Aktivität. Diese Elemente arbeiten zusammen, um zementartige Phasen zu schaffen – eine wichtige Zutat für einen robusten und effizienten Katalysator, der in der Lage ist, die Ammoniaksynthese über längere Zeiträume aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus wurde Ammoniak K – eine spezielle Form von hochdispergierten K+-Spezies – als Taktgeber der katalytischen Reaktion identifiziert. Die Forschung hebt die Bedeutung der hierarchischen porösen Struktur des Katalysators hervor, die durch Mineralphasen stabilisiert wird. Diese Architektur verbessert nicht nur die Haltbarkeit des Katalysators, sondern auch seine Widerstandsfähigkeit gegen Deaktivierung und sorgt für eine gleichbleibende Leistung in industriellen Umgebungen.
Ein Erbe der Innovation
Das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft hat eine lange Geschichte in der Ammoniaksynthese, geprägt von bahnbrechenden Errungenschaften, die die moderne industrielle Chemie geprägt haben. Der Namensgeber des Instituts, Fritz Haber, erhielt 1918 den Nobelpreis für Chemie für seine Pionierarbeit zur Synthese von Ammoniak aus seinen Elementen, ein Prozess, der die Produktion von landwirtschaftlichen Düngemitteln revolutionierte. Jahrzehnte später, im Jahr 2007, erhielt Gerhard Ertl, ehemaliger Direktor des Instituts, den Nobelpreis für Chemie für seine Studien zu chemischen Prozessen auf festen Oberflächen, die das Verständnis katalytischer Reaktionen weiter vorantrieben, wobei eines der Schlüsselbeispiele die tiefen mechanistischen Einblicke waren, die er in die Ammoniaksyntheseprozesse durch den Einsatz von Modellkatalysatoren lieferte. Diese reiche Tradition der Exzellenz inspiriert und treibt weiterhin innovative Forschung am Institut voran, wie die neuesten Erkenntnisse über multipromotierte industrielle Katalysatorsysteme für die Ammoniakproduktion belegen.
Fazit
Diese Studie beleuchtet die komplexen Dynamiken von Ammoniaksynthesekatalysatoren und bietet wertvolle Einblicke, die den Weg für zukünftige Innovationen in der industriellen Chemie ebnen könnten, einschließlich der starken Notwendigkeit, die dynamische Natur aktiver katalytischer Oberflächen während der Arbeit zu berücksichtigen. Durch das Verständnis der Rolle von Promotoren und der entscheidenden Rolle des Aktivierungsprozesses können Forscher effizientere und nachhaltigere Katalysatoren für die Ammoniakproduktion entwickeln. Wir würdigen die Expertise und den Beitrag von Prof. Dr. Robert Schlögl, der zusammen mit dem Team ausgezeichneter Wissenschaftler*innen zu diesem wichtigen wissenschaftlichen Beitrag geführt hat.
Prof. Dr. Thomas Lunkenbein, lunkenbein@fhi-berlin.mpg.de
https://www.nature.com/articles/s41467-025-63061-6
https://www.fhi.mpg.de/2129919/2025-09-22-Behind-the-scenes-of-ammonia-synthesis
Hinter den Kulissen der Ammoniaksynthese
Copyright: © FHI
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars, all interested persons
Chemistry, Energy, Materials sciences, Nutrition / healthcare / nursing, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Hinter den Kulissen der Ammoniaksynthese
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