Magnetfeld während der Synthese des Katalysators verdreifacht Ammoniakausbeute

Ein externes Magnetfeld während der Synthese von CoFe₂​O₄​-Dünnschichten verdreifacht deren Ammoniakausbeute beim anschließenden Einsatz in der Elektrokatalyse. Durch das Magnetfeld werden die Oberflächenzustände der Spinell-Oxid-Dünnschichten so verändert, dass die katalytisch aktiven Zentren stärker exponiert sind. Ein Team um Marcel Risch vom HZB und Sanjay Mathur von der Universität Köln zeigt damit eine skalierbare Strategie auf, um Elektrokatalysatoren der nächsten Generation für effiziente und nachhaltige chemische Umwandlungen zu entwickeln.

Spinell-Oxide als nachhaltige Alternative zu Haber-Bosch

Neue Katalysatortechnologien bilden den Schlüssel für mehr Nachhaltigkeit und Effizienz in der Chemieindustrie, der Wasserstoffwirtschaft und der Düngemittelproduktion. So verbraucht das traditionelle Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese 1 bis 2 % der weltweiten Energie und verursacht fast 1 % der jährlichen Treibhausgasemissionen, ist jedoch inzwischen nicht mehr alternativlos. Ein neuerer, umweltschonender Ansatz setzt auf die elektrochemische Umwandlung von Nitrat – einem Gewässerschadstoff, der massenhaft als Gülle in der intensiven Landwirtschaft anfällt – in Ammoniak. Damit dies gelingt, müssen geeignete Katalysatoren die Entstehung von Wasserstoff sowie stickstoffhaltigen Nebenprodukten effektiv unterdrücken. Dafür erweist sich die Materialklasse der Spinell-Übergangsmetalloxide, insbesondere Dünnschichten aus CoFe2​O4​, als besonders aussichtsreich.

Dass ein äußeres Magnetfeld während der Synthese dieser Katalysatoren deren Effizienz und Selektivität enorm steigern kann, zeigt nun eine Studie unter der Leitung von Dr. Marcel Risch vom HZB und Prof. Dr. Sanjay Mathur von der Universität Köln. „Durch ein magnetisches Feld während der chemischen Gasphasenabscheidung haben wir beabsichtigt, die Oberflächenzustände und Kationenverteilung in CoFe₂​O₄​-Dünnschichten zu modifizieren, um die Effizienz der Elektrokatalysatoren zu verbessern“, sagt Mathur, der für die Synthese verantwortlich war. Dieses Vorhaben war erfolgreich.

1-Tesla-Magnetfeld optimiert CoFe2​O4​-Katalysator für die Ammoniakproduktion

Die unter einem Magnetfeld von 1 Tesla produzierten CoFe₂​O₄​-Schichten zeigten die beste Performance: Sie lieferten dreimal mehr Ammoniak als die ohne Magnetfeld synthetisierte Variante, was die Wirksamkeit des magnetfeldgesteuerten Oberflächen-Engineerings belegt. Im Vergleich zu reinem Eisenoxid (Fe₃​O₄​-1T), das ebenfalls unter einem 1-Tesla-Magnetfeld hergestellt wurde, liegt die Ausbeute sogar um das 22-Fache höher, was die entscheidende Rolle von Kobalt bei der Nitratreduktion verdeutlicht. Ergänzende DFT-Berechnungen bestätigen, dass Kobalt die konkurrierende Wasserstoffentwicklung unterdrückt und zeitgleich die Nitratumwandlung fördert. „Das angelegte Magnetfeld stabilisiert die katalytisch aktiven Co²⁺-Ionen an oktaedrischen Stellen, was offensichtlich die kinetischen Barrieren für die Nitratreduktion absenkt“, erläutert Risch.

Katalysator-Optimierung bleibt auch ohne Magnetfeld stabil

Damit erweist sich ein Magnetfeld neben Temperatur und Druck als wirkungsvoller Parameter, um Kationenverteilung, magnetische Domänen und Oberflächenzustände während des Wachstums der Dünnschichten zu kontrollieren. Obwohl das Magnetfeld nur während des Dünnschichtwachstums angelegt wird, wirken sich die Verbesserungen danach auch im feldfreien elektrochemischen Betrieb dauerhaft aus. Das macht unseren Ansatz für praktische Anwendungen besonders vielversprechend, da während der Elektrolyse kein externes Magnetfeld erforderlich ist“, sagt Risch.

Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop verdeutlichen zudem, dass die Oberflächen der CoFe₂​O₄​-Dünnschichten mit steigender Magnetfeldstärke während der Synthese systematisch rauer und somit größer werden. „Wir hoffen, dass diese Ergebnisse eine breitere Erforschung von magnetfeldunterstützten Strategien zur maßgeschneiderten Herstellung von Elektrokatalysatoren anregen werden“, sagt Mathur.

Quelle

Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH (06/2026)