Die Ammoniakausbeute von CoFe₂O₄-Dünnschichten lässt sich verdreifachen, wenn während ihrer Synthese ein Magnetfeld anliegt. Ein Team um Marcel Risch vom HZB und Sanjay Mathur von der Universität Köln verändert mit dem Feld die Oberflächenzustände der Spinell-Oxid-Schichten, sodass die katalytisch aktiven Zentren stärker exponiert werden und sich beim späteren Einsatz als Elektrokatalysator deutlich mehr Ammoniak bildet.
Anwendung findet der Ansatz bei der elektrochemischen Umwandlung von Nitrat in Ammoniak, einem Weg, der das energieintensive Haber-Bosch-Verfahren ergänzen kann. Damit er sich rechnet, müssen die Katalysatoren konkurrierende Nebenreaktionen unterdrücken, und ein während des Wachstums angelegtes Magnetfeld erweist sich dabei als zusätzlicher Stellhebel neben Temperatur und Druck.
Nitrat aus der Landwirtschaft wird zur Ammoniakquelle
Der bekannte Weg zu Ammoniak führt über das Haber-Bosch-Verfahren, das zwischen einem und zwei Prozent der weltweiten Energie benötigt und für fast ein Prozent der jährlichen Treibhausgasemissionen verantwortlich ist. Für eine Chemieindustrie, eine Wasserstoffwirtschaft und eine Düngemittelproduktion, die auf mehr Nachhaltigkeit und Effizienz zielen, gilt es daher als nicht mehr alternativlos.
Ein neuerer Ansatz setzt auf die elektrochemische Umwandlung von Nitrat in Ammoniak. Nitrat fällt etwa als Gülle in der intensiven Landwirtschaft in großen Mengen an und schädigt vor allem die Gewässer. Bei der Umwandlung müssen geeignete Katalysatoren allerdings die Entwicklung von Wasserstoff sowie stickstoffhaltiger Nebenprodukte unterdrücken. Als besonders aussichtsreich gilt dafür die Materialklasse der Spinell-Übergangsmetalloxide, insbesondere Dünnschichten aus CoFe₂O₄.
Magnetfeld als Stellhebel der Dünnschicht-Synthese
Den entscheidenden Eingriff nimmt das Forschungsteam bereits bei der Herstellung vor. Während der chemischen Gasphasenabscheidung legt es ein äußeres Magnetfeld an, das die Oberflächenzustände und die Kationenverteilung in den CoFe₂O₄-Dünnschichten verändert. „Durch ein magnetisches Feld während der chemischen Gasphasenabscheidung haben wir beabsichtigt, die Oberflächenzustände und Kationenverteilung in CoFe₂O₄-Dünnschichten zu modifizieren, um die Effizienz der Elektrokatalysatoren zu verbessern“, sagt Mathur, der für die Synthese verantwortlich war. Aufnahmen mit einem Rasterelektronenmikroskop zeigen, dass die Oberflächen umso rauer und damit größer ausfallen, je stärker das Feld während der Synthese war.
Damit reiht sich das Feld neben Temperatur und Druck als wirkungsvoller Parameter ein, um Kationenverteilung, magnetische Domänen und Oberflächenzustände beim Wachstum der Schichten zu steuern. Für die Praxis ist entscheidend, dass die Wirkung bestehen bleibt, obwohl das Magnetfeld nur beim Wachstum anliegt. „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.
Kobalt entscheidet über die Selektivität
Wie stark der Eingriff wirkt, zeigt der direkte Vergleich. Die Schichten, die unter einem Magnetfeld von einem Tesla entstanden, produzierten dreimal mehr Ammoniak als feldfrei hergestelltes CoFe₂O₄. Gegenüber reinem Eisenoxid Fe₃O₄, das ebenfalls unter einem Tesla synthetisiert wurde, lag die Ausbeute sogar um das 22-Fache höher.
Das verweist auf die entscheidende Rolle des Kobalts bei der Nitratreduktion. Ergänzende DFT-Berechnungen bestätigen, dass Kobalt die konkurrierende Wasserstoffentwicklung unterdrückt und zugleich 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. Für die weitere Entwicklung von Elektrokatalysatoren sieht das Team darin einen Ansatzpunkt. „Wir hoffen, dass diese Ergebnisse eine breitere Erforschung von magnetfeldunterstützten Strategien zur maßgeschneiderten Herstellung von Elektrokatalysatoren anregen werden“, sagt Mathur.
Originalpublikation: T. Karimpour, Y. Mousazade, S. Diel, et al. “Magnetic-Field Control of Surface States in CoFe2O4 Thin Films for Nitrate Electroreduction to Ammonia.” Advanced Functional Materials (2026): e76213. https://doi.org/10.1002/adfm.76213
