N2Ox: Die heterogene photokatalytische Oxidation von Distickstoff zu Stickoxiden in der Gasphase: Mechanismus und Kinetik

Motivation und Aufgaben

Ein essenzielles Thema der heutigen Zeit ist die weltweite Nahrungsmittelversorgen. Durch die ständig steigende Bevölkerungszahl und der Zunahme an extremen Wetterereignissen wird der weltweite Nahrungsmittelbedarf stetig steigen. Um die Nahrungsmittelversorgung auch weiterhin gewährleisten zu können, wird eine intensivere, effizientere und Ressourcen schonende Agrarwirtschaft benötigt. Eine Lösung dieses Problems stellt der intensivere Einsatz von Düngemitteln dar. Die Herstellung der Düngemittel ist jedoch sehr energieintensiv und kostenintensiv. Bedingt durch die steigenden Gas- und Energiepreise kommt es aktuell und in der Zukunft zu steigenden Düngemittelpreisen und Düngemittelknappheit, was zu steigenden Lebensmittelpreisen und Lebensmittelknappheit führt. Hinzu kommt, dass die Produktion von Düngemitteln enorm viele Treibhausgase produziert, was die globale Erderwärmung weiter antreibt. Aus diesen Gründen ist eine nachhaltige Düngemittel-Produktion von enormer Bedeutung für die heutige Zeit.

Heutzutage wird die Salpetersäure für die Düngemittelprodukts großtechnisch durch Oxidation von Ammoniak mit Sauerstoff in Gegenwart eines Edelmetall-Katalysators bei hohen Temperaturen hergestellt. Das für die Herstellung Verwendete Ammoniak finden größtenteils seinen Ursprung aus dem Haber-Bosch-Verfahren, welches für 1-2 % der globalen CO₂-Emissionen verantwortlich ist.

Eine besonders Umwelt und Ressourcen schonende Alternative ist die direkte Herstellung von Salpetersäure aus elementarem Stickstoff und Sauerstoff unter Verwendung von Erneuerbaren Energien und Vermeidung von Abfallprodukten. Die Herausforderung hierbei liegt in der Aktivierung des Stickstoffes, da viel Energie (945 kJ·mol⁻¹) aufgewendet werden muss, um die stabile Dreifachbindung zu brechen.

Eine Lösung dieser Probleme stellt die Photokatalyse dar. Hierbei wandelt ein Katalysator, welcher lediglich Licht als Energiequelle benötigt, Stickstoff, Sauerstoff und Wasser in Salpetersäure um. Die photokatalytische Salpetersäure Herstellung ist jedoch noch wenig erforscht. Daraus stellt sich die Frage nach den Einflüssen durch die Temperatur, das Katalysator-Material, der Lichtintensität, die Edukt-Verhältnisse, das Reaktor Designs etc. auf die Reaktion.

In diesem Projekt wird daher an einem fundamentalen Verständnis der Einflüsse der Reaktionsparametern sowie dem der Reaktion zugrunde liegendem Reaktionsmechanismus geforscht. Dabei werden alle in der Reaktion auftretenden Moleküle mit modernsten Methoden (IC, GC, MS, Chemilumineszenz) analysiert und die Einflüsse der Reaktionsparameter auf diese untersucht. Dies wird außerdem an unterschiedlichen Photokatalysatoren untersucht, um ein besseres Verständnis beim Katalysator-Design zu erlangen.

Das Forschungsprojekt wird über die DFG im Rahmen des Schwerpunktprogramms "Nitroconversion: Verknüpfung von Katalysatoren, Mechanismen und Reaktorkonzepten für die Umwandlung von Distickstoff durch elektrokatalytische, photokatalytische und photoelektrochemische Methoden" (SPP2370) gefördert.