Ein saubererer Weg zu Ammoniak

James Mitchell Crow ist ein freiberuflicher Autor mit Sitz in Melbourne, Australien.

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Douglas Macfarlane, wissenschaftlicher Leiter bei Jupiter Ionics, hofft, grünen Dünger produzieren zu können. Bildnachweis: Steve Morton/Jupiter Ionics

Jupiter Ionics in Melbourne, Australien, wurde 2021 von der Monash University, Melbourne, ausgegliedert.

Es ist eine merkwürdige Eigenart der Chemie, dass Lithiumatome, wenn sie zusammenarbeiten, eine der stärksten bekannten chemischen Bindungen aufbrechen können. Lithium kann das dreifach gebundene Stickstoffmolekül (N2) aufnehmen und es unter Umgebungsbedingungen in zwei Teile spalten.

Jupiter Ionics in Melbourne, Australien – ein Finalist des Spinoff-Preises 2023 – möchte diese Chemie zur Herstellung von Ammoniak (NH3) nutzen.

Ammoniak ist von entscheidender Bedeutung für die Herstellung von Kunstdünger, auf den die Welt beim Anbau von Nutzpflanzen angewiesen ist. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts wird Ammoniak nach dem industriellen Haber-Bosch-Verfahren hergestellt. Die weltweite Ammoniakproduktion erreicht mittlerweile 150 Millionen Tonnen pro Jahr.

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„Haber-Bosch ist heute ein sehr zentrales Stück Chemie in der Welt, aber es ist auf fossile Brennstoffe angewiesen“, sagt Douglas Macfarlane, Elektrochemieforscher an der Monash University in Melbourne und Gründer und wissenschaftlicher Leiter von Jupiter Ionics. Der Prozess läuft bei hohem Druck und hoher Temperatur und in großen, zentralisierten, kontinuierlich betriebenen Anlagen ab, die sich nur schwer mit der vergleichsweise kleinen, intermittierenden Natur erneuerbarer Energien vereinbaren lassen, erklärt Macfarlane. Haber-Bosch ist für schätzungsweise 1,5 % der weltweiten Kohlenstoffemissionen verantwortlich, und sein Beitrag nimmt weiter zu.

Das Monash-Labor von Macfarlane hat einen hochselektiven, Lithium-vermittelten elektrochemischen Weg zu Ammoniak entwickelt. Der Prozess nutzt Luft, Wasser und erneuerbaren Strom. Im Jahr 2021 gründete Macfarlane Jupiter Ionics, um den Prozess auszuweiten und zu kommerzialisieren. Das ursprüngliche Ziel ist die Produktion von grünem Dünger, aber auch die Erzeugung von Ammoniak als kohlenstofffreiem Kraftstoff ist eine Perspektive. Jupiters Technologie nähert sich dem Ziel des US-Energieministeriums, eine kohlenstofffreie Ammoniakproduktion mit einer Geschwindigkeit zu erreichen, die kommerziell mit Haber-Bosch konkurrenzfähig ist.

Die Idee, Stickstoffmoleküle mithilfe von elektrischem Strom und nicht durch hohe Temperaturen und Drücke zu zerlegen, um Ammoniak herzustellen, reicht ein Jahrhundert zurück1. Die Elektroden in einer elektrochemischen Zelle können N2 in einem katalysatorvermittelten Prozess spalten und die Atome dann mit Protonen (H+) aus Wasser kombinieren, um Ammoniak zu bilden.

Das ist zumindest die Theorie, sagt Charles Day, CEO von Jupiter Ionics. „Menschen haben winzige Mengen Ammoniak hergestellt, aber um kommerziell relevant zu sein, muss man in der Lage sein, es mit einer signifikanten Geschwindigkeit zu produzieren“, sagt Day, ein Chemieingenieur, der zum Manager für Technologiekommerzialisierung wurde. Day wurde zunächst von Monash damit beauftragt, den Geschäftsplan des Unternehmens zu verfassen, bevor er dessen erster Geschäftsführer wurde.

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Die Herausforderung besteht darin, eine Nebenreaktion zu unterdrücken, bei der die Zelle den einfacheren Weg einschlägt, Protonenpaare zu kombinieren, um Wasserstoffgas (H2) anstelle von Ammoniak zu erzeugen. Wasserstoff ist in der Regel das vorherrschende Produkt im elektrochemischen Prozess. Das als Selektivitätsherausforderung bekannte Problem wird durch eine Metrik namens Faradaysche Effizienz (FE) beschrieben: die Menge an produziertem Ammoniak im Verhältnis zu dem Ammoniak, das basierend auf der elektrischen Eingabe erzeugt werden könnte. Bis vor einigen Jahren wurde über eine Ammoniakselektivität von lediglich 5–20 % FE berichtet.

Im Jahr 2019 probierte das Monash-Team von Macfarlane Lithium aus, nachdem es mehrere mögliche Elektrokatalysatorsysteme bewertet und wenig bis gar kein Ammoniak hergestellt hatte. „Es war in der Welt der Lithiumbatterien ziemlich bekannt, dass Lithium mit Stickstoff reagiert“, erinnert sich Macfarlane. „Das ist der verlockende Schritt, dass man das Stickstoffmolekül mit Lithium aufbrechen kann.“

Die Schlüsselchemie des Lithium-vermittelten Prozesses findet an der Kathode der elektrochemischen Zelle statt. Dabei reagieren Lithium und Stickstoff zu Lithiumnitrid (Li3N). Dieses Zwischenprodukt reagiert mit Protonen (die an der Anode erzeugt werden), um Ammoniak freizusetzen und das Lithium zu regenerieren (siehe „Die elektrochemische Ammoniakzelle“).

Bildnachweis: Alisdair MacDonald

Im Jahr 2021 berichteten Macfarlane und seine Kollegen2, dass sie durch die Hinzufügung eines auf Phosphor basierenden Protonenshuttles zur Vermittlung der Protonenabgabe an die Kathode eine FE von 69 % erreicht hatten. Ein Jahr später berichteten sie3, dass sie durch den Wechsel zu einem Elektrolyten, der den Lithium-vermittelten Stickstoffspaltungsschritt besser unterstützte, eine FE von fast 100 % erreicht hatten. „Um kommerziell relevant zu sein, muss die Selektivität grundsätzlich bei 100 % liegen, was in unserem letzten Artikel schließlich festgestellt wurde“, sagt Macfarlane.

„Dieses Niveau der Ammoniakproduktion stellt einen bedeutenden Fortschritt dar und bringt das Team an die Spitze des Fachgebiets“, sagt Karthish Manthiram, ein Elektrochemiker, der am California Institute of Technology in Pasadena an der Ammoniakproduktion arbeitet und nicht mit dem Unternehmen verbunden ist. „Ich dachte, es würde noch ein paar Jahre dauern, bis die Community die von ihnen gemeldeten Ergebnisse erzielt“, sagt Manthiram. Die Ergebnisse von Jupiter Ionics, fügt er hinzu, deuten darauf hin, dass dies ein guter Zeitpunkt sei, die Forschung zu kommerzialisieren und sie in einem „flexibleren, ergebnisorientierten“ Umfeld fortzusetzen.

Laut Manthiram wird die Skalierung der Technologie bei gleichzeitiger Demonstration von Stabilität und Langlebigkeit eine der größten Herausforderungen sein. „Es ist ein risikoreiches Unterfangen“, sagt er. „Die Frage ist, wann und nicht ob die elektrochemische Ammoniakproduktion funktioniert – aber der Zeitpunkt ist immer schwer vorherzusagen.“

Jupiter Ionics startete im April 2021 und sammelte 2,5 Millionen australische Dollar (1,7 Millionen US-Dollar) an Startkapital. Im März 2022 erhielt das Unternehmen weitere 2,65 Millionen australische Dollar von der australischen Regierung, um ein Konsortium von Unternehmen anzuführen, das seine Technologie zur Herstellung von grünem Ammoniak entwickeln soll. Mithilfe dieser kollektiven Finanzierung sei das Unternehmen auf ein Team von etwa einem Dutzend Personen angewachsen, sagt Day.

Um den Prozess für die reale Welt vorzubereiten, muss von einem Kleinserienbetrieb zu einem skalierbaren Reaktor übergegangen werden, der Ammoniak in einem kontinuierlichen Strom produziert. „Getrennt voneinander funktionieren die Anodenseite und die Kathodenseite des Strömungsprozesses jetzt gut“, sagt Irina Simonova, Elektrochemie-Forscherin beim Unternehmen. „Wir konzentrieren uns jetzt darauf, dass beide Seiten gut zusammenarbeiten“, sagt sie. Beide Elektroden müssen den gleichen Strom führen – sie sind zwei Teile desselben Stromkreises – aber im Moment hat jede Elektrode ihren eigenen optimalen Strom pro Flächeneinheit (die Stromdichte). Das Team arbeitet daran, die Fläche und Dicke jeder Elektrode abzustimmen, um den optimalen Stromdichte-Sweetspot zu erreichen.

Das Unternehmen plant, später in diesem Jahr auf den Markt zurückzukehren, um „Serie-A“-Investitionen zu tätigen, sagt Day. „Mit zunehmender Skalierung werden die Reaktoren größer und teurer. Die nächste Investitionsrunde besteht darin, mit der Skalierung zu etwas zu beginnen, das eher einem Produkt ähnelt, das wir verkaufen könnten.“

„Jupiter Ionics verfügt über eine starke Technologie, die auf einen echten Bedarf abzielt, und verfügt außerdem über ein solides Team und einen Geschäftsplan“, sagt Bob Gatte, Juror des Spinoff Prize 2023 und Geschäftsführer von HighT-Tech in College Park, Maryland, das den Preis gewonnen hat im Jahr 2021. „Wenn ihr erster Weg zur Kommerzialisierung nicht funktioniert, haben sie andere Möglichkeiten.“

Das Team hat mehrere potenzielle Wege zur Umsatzgenerierung identifiziert. „Wir haben die Möglichkeit, komplette Systeme selbst herzustellen oder unsere Technologie an andere Unternehmen zu lizenzieren“, sagt Day. „Wir prüfen noch, welche davon für uns am sinnvollsten ist.“

Außerdem zeichnet sich ein aufstrebender Markt für grünes Ammoniak im Energiesektor ab. Aus erneuerbaren Quellen erzeugtes Ammoniak wird zunehmend als potenzieller Energieträger anerkannt – eine Möglichkeit, erneuerbare Energie in eine chemische Form umzuwandeln, die leicht gespeichert, transportiert oder sogar versendet werden kann.

„Wir konzentrieren uns zunächst auf Düngemittel, weil es das heutige Problem schon heute angeht“, sagt Day. „Es gibt einen Ammoniakmarkt mit einem Volumen von fast 200 Millionen Tonnen pro Jahr, der so schnell wie möglich dekarbonisiert werden muss. Aber wir wollen auf jeden Fall eine Rolle bei der Entwicklung von Ammoniak als Energieträger spielen“, sagt er.

„Energie bietet zusätzlich zu ihrem Hauptschwerpunkt potenzielle Vorteile“, sagt Gatte. „Jetzt müssen sie beweisen, dass die Technologie skalierbar ist.“

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-023-01659-w

Dieser Artikel ist Teil von Nature Outlook: The Spinoff Prize 2023, einer redaktionell unabhängigen Beilage, die mit finanzieller Unterstützung Dritter erstellt wurde. Über diesen Inhalt.

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