Hvordan vann kan brukes som kilde for hydrogen i ammoniakkproduksjon: Utfordringer og løsninger

Bruken av vann som kilde til hydrogen i ammoniakkproduksjon unngår de karbonutslippsproblemene som er knyttet til tradisjonell syntese av hydrogen fra syntesegass. Elektro-kjemisk ammoniakkproduksjon har imidlertid noen utfordringer som må overvinnes for at teknologien skal bli kommersiell. Først og fremst er det mangel på effektive elektrokatalysatorer for aktivering og bryting av den sterke N≡N-trippelbindingen. Videre er det også et problem med lav selektivitet i forhold til hydrogenutviklingsreaksjonen (HER), som kan konkurrere med nitrogenreduksjonsreaksjonen (NRR).

Generelt, når vi vurderer bruken av anionbytte-membraner (AEM) for elektro-kjemisk ammoniakkproduksjon og direkte ammoniakkbrenselceller, er alkalinske elektrolytter mer egnede for elektro-kjemisk nitrogenfiksering og utnyttelsessykluser. Alkalinske elektrolytter kan bruke vann som protonkilde, og de tillater bruk av ikke-edle metallanoder for oksygenutviklingsreaksjon (OER), noe som reduserer hydrogenutviklingsreaksjonen. På den annen side har sure elektrolytter høyere selektivitet for ammoniakkadsorpsjon, men de er også mer utsatt for HER, som kan redusere effektiviteten i elektro-kjemiske prosesser.

En av de største utfordringene ved kommersiell elektro-kjemisk ammoniakkproduksjon er å oppnå en produksjonshastighet for ammoniakk på ≥10−6 mol/(cm²s), en Faraday-effektivitet på ≥90% og en energibrukseffektivitet på ≥60%. Per i dag, uavhengig av hvilken type elektrokatalysator som benyttes, er Faraday-effektiviteten i elektro-kjemiske systemer for ammoniakkproduksjon under 1%. Dette viser at det er behov for videreutvikling av elektrokatalysatorer som kan redusere HER samtidig som de fremmer NRR. Utvikling av høyytelses elektrokatalysatorer er derfor avgjørende for at elektro-kjemisk ammoniakkproduksjon skal bli økonomisk levedyktig.

Et alternativ til elektro-kjemisk produksjon er ammoniakk-dekomponering for hydrogenproduksjon. Ammoniakk-dekomponering, som er en endoterm reaksjon og motsatt av ammoniakk-syntese, har fått økt oppmerksomhet som en potensiell kilde for hydrogenproduksjon. Selv om den termodynamiske likevekten for dekomponeringen kan nå 99% ved 450°C, er det høy kinetisk energibarriere som begrenser hastigheten på hydrogenproduksjonen. Hydrogenbrenselceller koblet med ammoniakk-dekomponering for hydrogenproduksjon kan ikke bare redusere karbonutslippene, men også unngå karbonmonoksidforgiftning av de dyre metallkatalysatorene i brenselcellene.

Japan og Sør-Korea har gjort betydelige investeringer i utviklingen av brenselcelleteknologier som bruker ammoniakk-dekomponering som kilde for hydrogen. Japan har allerede kommersialisert mikro-CHP brenselcellesystemer som bruker ammoniakk som en energikilde, og har solgt flere hundre tusen enheter både i Japan og Europa. De har som mål å oppnå en brenselsforbruksrate på 2 millioner tonn ammoniakk per år innen 2030. Denne satsingen er en del av deres langsiktige mål om å redusere karbonutslippene innen 2050.

I tillegg har flere forskningsprosjekter blitt iverksatt i flere land, inkludert Australia, der teknologier for høyoppløselig hydrogenproduksjon fra ammoniakk dekomponering er under utvikling. Disse prosjektene involverer bruken av edle metaller som ruthenium for dekomponering av ammoniakk, og spesialiserte membraner for effektiv separasjon av hydrogen. Membranreaktorer har vist seg å være en lovende teknologi for å forbedre ammoniakk-dekomponering, ettersom de kan fjerne hydrogen kontinuerlig fra reaksjonen, og dermed bryte likevekten for dekomponeringen og oppnå høyere omdanningsgrader.

Katalysatorene som brukes til ammoniakk-dekomponering er et viktig område for videre forskning. Selv om tradisjonelle katalysatorer, som ruthenium-basert systemer, har gitt utmerkede resultater, er de dyre og har utfordringer knyttet til lang levetid og materialforbruk. Derfor er utviklingen av alternative katalysatorer som er billigere, mer tilgjengelige og har høy stabilitet under ekstreme forhold essensielt for at ammoniakk-dekomponering skal bli en bærekraftig teknologi på lang sikt.

Avslutningsvis er utviklingen av lavtemperatur, lavenergikrevende, lavkostnads- og effektive teknologier for ammoniakk-dekomponering fortsatt en betydelig utfordring. Likevel, med de fremskrittene som er gjort i katalysatorutvikling, membranteknologi og brenselcellesystemer, er det håp om at disse teknologiene vil spille en viktig rolle i fremtidens hydrogenøkonomi.

Hvordan Ammoniak Boran og Dets Derivater Kan Brukes til Hydrogengasslagring

Den grunnleggende årsaken til at ammoniakboranmolekylene kan eksistere stabilt som faste stoffer ved normale temperaturer og trykk, er den attraksjonen som finnes i den doble hydrogenbindingen mellom N-H og H-B. Dette stabiliserer molekylets konfigurasjon ytterligere. Den termiske nedbrytningen av ammoniakboran, som fører til produksjon av hydrogen, er en eksoterm reaksjon. Under denne nedbrytningen omdannes koordinasjonsbindingene mellom N og B til mer stabile kovalente bindinger.

Ammoniakboran inneholder tre forskjellige typer protonbindinger: B-H, B-N og N-H, og dette gir materialet høy termisk stabilitet. Nedbrytningsprosessen krever derfor høy energi og høye temperaturer for at de nødvendige biproduktene skal dannes lett. Prosessen kan deles inn i tre hovedtrinn, som omfatter:

1. nNH₃BH₃ → NH₂BH₂ + nH₂ ved ca. 110 °C.

2. NH₂BH₂ → NH-BH + nH₂ ved ca. 150 °C.

3. NH-BH → BN + nH₂ ved ca. 250 °C.

I 2006 oppdaget Chandra et al. at katalysatorer basert på edle metaller som platina (Pt), rhodium (Rh) og palladium (Pd) har god katalytisk aktivitet ved hydrolyse av ammoniakboran. Blant disse er platina den mest effektive og deaktiveres ikke merkbart etter flere sykluser. For ikke-edle metaller er de vanligste katalysatorene nikkel (Ni), jern (Fe) og kobolt (Co). Koboltbaserte katalysatorer har relativt høy katalytisk aktivitet, og når koboltnanopartikler utgjør 4 mol% av ammoniakboran, kan hydrolyseprosessen fullføres på bare 1,7 minutter ved romtemperatur.

Selv om edle metaller har høy katalytisk aktivitet, er de dyre og sjeldne, noe som gjør dem vanskelig tilgjengelig for storskala bruk. På den annen side er ikke-edle metaller billigere, men deres katalytiske aktivitet er langt lavere. For å balansere dette har man utviklet kombinerte katalysatorer med både edle og ikke-edle metaller, og disse har vist seg å være effektive. En spesiell kombinasjon som har blitt studert er rutinium (Ru) og nikkel (Ni) nanopartikler, hvor de har funnet at de interagerer sterkt, noe som bidrar til å fremme hydrolysen av ammoniakboran.

Støttematerialene som brukes til å støtte metallkatalysatorene spiller også en viktig rolle. Materialer som oksider, karbonmaterialer og MOF (metallorganiske rammeverk) brukes til å forhindre dannelsen av urenheter på nanopartiklene og for å hindre aggregasjon av partikler. MOF-materialer, som har høy spesifikk overflate og en godt organisert porestruktur, bidrar til en stabil katalysatoraktivitet ved å hindre at metalldelene klumper seg sammen under reaksjonen.

Selv om ammoniakboran er et lovende materiale for hydrogengasslagring, er det fortsatt utfordringer knyttet til å forbedre katalysatorenes effektivitet, redusere temperaturkravene for nedbrytning og utvikle stabile, økonomiske løsninger for storskala anvendelse. For at ammoniakboran og lignende forbindelser skal bli realistiske alternativer for hydrogengasslagring, er det avgjørende å kontinuerlig forbedre både materialenes kjemiske stabilitet og de teknologiske løsningene for katalyse.