Elektrokjemisk syntese av ammoniakk med protonledende faststoff-elektrolytt

Abstract

Ammoniakk ble syntetisert fra hydrogen og nitrogen i en elektrokjemisk reaktor basert på et protonledende oksid ved atmosfærisk trykk. I reaktoren, som var sammensatt av to avskilte kamre, ble hydrogen oksidert på anoden og pumpet gjennom elektrolytten ved hjelp av en pålagt spenning, for å så reagere med nitrogen på katoden. Elektrokjemisk produksjon av ammoniakk er et alternativ til den konvensjonelle katalytiske prosessen, hvor utbyttet er begrenset av termodynamikken for dannelsen av ammoniakk.

Andelen av de elektrokjemisk tilførte protonene som reagerte med nitrogen var lavt, sammenlignet med tidligere studier. Denne oppgaven diskuterer mulige årsaker for det lave utbyttet av ammoniakk med fokus på de elektrokjemiske prosessene som skjer på grenseflaten mellom elektrolytten og elektroden.

Det ble konstruert to elektrokjemiske celler med platina som elektroder og protonlederne BaCe0,9Y0,1O3-δ (BCY) og SrCe0,95Yb0,05O3-δ (SCYb) som elektrolyttmaterialer. De elektrokjemiske cellene ble studert ved bruk av impedansspektroskopi og strøm-spenningsmålinger. Av de to grenseflatene, viste Pt-BCY raskest elektrodekinetikk og høyest ledningsevne i reduserende atmosfærer. Utvekslingsstrømtettheten og den begrensende strømtettheten ble beregnet fra strøm-spenningsmålinger ved bruk av en modifisert utgave av Tafellikningen. Ved 600 °C med fuktig H2 som anodegass og tørr N2 som katodegass ble utvekslingsstrømtettheten bestemt til 4,8 og 1,2 mA cm-2 for henholdsvis BCY og SCYb. Utvekslingsstrømtettheten og den begrensende strømtettheten for SCYb økte med temperatur med aktiveringsenergi på henholdsvis 50 og 55 kJ mol-1 i temperaturintervallet 500 – 700 °C.

En alternativ elektrode for SCYb ble produsert med utgangspunkt i Fe2O3 og SCYb. I tillegg til SCYb, inneholdt elektroden fasene SrFe1-xYbxO2,5 og Ce1-xYbxO2-δ. Elektroden ble karakterisert med impedansspektroskopi. Den korrigerte arealspesifikke elektrokjemiske motstanden ved 800 °C i fuktig H2 ble beregnet til 2 Ω cm2, og var omtrent en dekade lavere enn målt for platina. En elektrode basert på SrFeO2,5 er sannsynligvis vanskelig å kombinere med SCYb som elektrolytt fordi de to komponenetene kan reagere med hverandre og danne faser med høyere innhold av strontium.