Wissenschaftler lösen ein großes Ammoniak-Problem durch Durchbruch bei Platin-Katalysator

Es kann aus Luft, Wasser und erneuerbarer Elektrizität hergestellt, in flüssiger Form gelagert und über bestehende industrielle Infrastrukturen transportiert werden. Die Herausforderung besteht darin, dass Ammoniak schwer zu entzünden ist, langsam brennt und bei hohen Temperaturen große Mengen Stickoxiden (NOx) freisetzen kann.

Diese Einschränkungen haben es der Schwerindustrie, die auf zuverlässige Hochtemperaturwärme angewiesen ist, bisher erschwert, des College Design and Engineering (CDE) haben nun gezeigt, dass eine ingenieurtechnische Bearbeitung auf atomarer Ebene diese Probleme lösen könnte.

In einer Joule veröffentlichten Studie entwickelte ein Department Chemical and Biomolecular Engineering und Assistant Professor Qian vom Department Materials Science and Engineering geleitetes Team einen Katalysator, der die Ammoniakverbrennung bereits knapp über 200 °C (392 °F) einleitet und eine saubere Verbrennung bis zu 1.100 °C (2.012 °F) aufrechterhält.

Der Prozess wandelt Ammoniak vollständig Stickstoff

Der Prozess wandelt Ammoniak vollständig Stickstoff und Wasser um und erzeugt dabei nur Spuren darauf hin, dass Ammoniak zukünftig industrielle Wärme ohne Kohlendioxid-Emissionen oder schädliche Abgase bereitstellen könnte.

Warum Ammoniak als industrielles Kraftstoff bisher Schwierigkeiten hatte: Industrielle Öfen und Reaktoren benötigen leistungsstarke, steuerbare Wärme, die bedarfsgerecht erzeugt werden kann. Ammoniak könnte dies theoretisch emissionsfrei liefern, doch die praktische Anwendung war bisher schwierig.

Ammoniak verbrennt nur in einem engen Bereich „Light-off"-Temperatur, also der Punkt, an dem die Verbrennung leicht einsetzt, ist ebenfalls relativ hoch, und die Flamme kann instabil werden.

Was die Studie zeigt

Eine Temperaturerhöhung zur Stabilisierung der Verbrennung führt häufig zu erhöhten NOx-Emissionen. „Die Schwerindustrie benötigt hochwertige Wärme, nicht nur einen sauberen Auspuff", sagt Assistent Professor He. „Wir wollten zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen: Ammoniak leichter entflammbar machen und gleichzeitig die NOx-Emissionen bei hohen Betriebstemperaturen niedrig halten." Die Forscher setzten ein Verfahren namens Hochtemperatur-katalytische Ammoniakverbrennung ein, das auf einem Oberflächenkatalysator basiert, der die Reaktion unterstützt.

Die Hauptaufgabe bestand darin, ein Material zu identifizieren, das die Verbrennung bei niedrigeren Temperaturen einleiten kann und gleichzeitig der extremen Hitze standhält, die für industrielle Anwendungen erforderlich ist.

Ein Einzelatom-Platin-Katalysator ermöglicht die Zündung bei niedrigen Temperaturen Das Team entwickelte ein Material, das einzelne Platinatome über eine langlebige Aluminiumoxid-Trägerstruktur verteilt, die mit Zirkonia verstärkt ist. Jedes Platinatom fungiert als eigenständiger Reaktionsort.

Diese Struktur verhindert, dass sich das

Diese Struktur verhindert, dass sich das Platin unter intensiver Hitze Agglomeraten zusammenballt, und trägt dazu bei, die Stabilität des Katalysators bei Temperaturen über 1.000 °C (1.832 °F) zu erhalten.

Laborversuche zeigten, dass der Katalysator Ammoniak bei etwa 215 °C (419 °F) zünden kann – deutlich niedriger als die üblicherweise erforderlichen 500 °C (932 °F) oder mehr. Zudem hielt er eine stabile Verbrennung bei 1.100 °C (2.012 °F) aufrecht.

Alle Ammoniakmoleküle wurden vollständig umgesetzt, sodass kein unverbrannter Kraftstoff übrig blieb und fast kein NOx entstand. Die Forscher stellten zudem fest, dass der Katalysator nach der ersten Anwendung wirksamer wurde und sich während wiederholter Hochtemperatur-Testzyklen stabil verhielt.

Bei niedrigeren Temperaturen unterstützen die isolierten

Bei niedrigeren Temperaturen unterstützen die isolierten Platinatome den Zerfall ülen und deren Wiedervereinigung mit Sauerstoff zur Bildung – das sauberste mögliche Verbrennungsergebnis.

Bei höheren Temperaturen lenkt die Struktur des Katalysators die Reaktion Studien bestätigten, dass die Platinatome auch nach 80 Betriebsstunden gleichmäßig verteilt und aktiv blieben, was die thermische Beständigkeit des Materials unterstreicht. Atomare Konstruktionsprinzipien reduzieren NOx-Emissionen. „Hier zählt das Design-Prinzip", sagt Prof.

Yan. „Die Kombination eines hitzestabilen Trägers mit isolierten Metallatomen ermöglicht es uns, sowohl eine frühe Zündung als auch Widerstandsfähigkeit bei extremen Temperaturen zu erreichen." Das System begnstigt He fgt hinzu: Industrien knnten ihre Anlagen mit minimalen nderungen nachrsten und so die Vorteile einer sauberen Wrmeenergie nutzen, ohne ihre Werke zu mssen." Die Forscher arbeiten nun daran, die Technologie nher an den industriellen Einsatz heranzufhren.

Technik, Energie und Einsatz

Mit Untersttzung des NUS Centre for Hydrogen Innovations bereitet das Team Pilotversuche Anlagen vor, die fr den sicheren Umgang mit Ammoniak ausgelegt sind.

Geplant ist die Evaluierung des Katalysators in industriellen Brennern, Gasturbinen und Hochtemperaturreaktoren unter realen Betriebsbedingungen. Ammoniak hat stets als kohlenstoffarmer Brennstoff Potenzial gezeigt, doch erst die Lsung eines langjhrigen chemischen Problems machte es wirklich nutzbar," sagt Yankun, Erstautor der Publikation. Unser Katalysator beweist, dass es mglich ist, die Energie aus Ammoniak sauber und zuverlssig freizusetzen." Dies bringt uns einen Schritt näher an kohlenstofffreie industrielle Wärme.

Quelle: „Single-atom catalysts enabled catalytic ammonia combustion at 1,100°C", Bingqing Yao, Liang Xu, Shangchen Lu, Chaokai Xu, Peijie Han, Sheng Dai, Sikai Wang, Shibo Xi, Boon Siong Neo, Ning Yan und Qian He, 3. Juli 2025, Joule. DOI: 10.1016/j.joule.2025.102030