Investigating the addition of metals to carbon membranes to enhance the separation of ammonia from hydrogen and nitrogen gas mixtures in a catalytic membrane reactor

Ammonia (NH₃) is critical for fertilizer production and is increasingly explored as a hydrogen carrier for sustainable energy. However, conventional Haber–Bosch synthesis is highly energy-intensive, fossil-fuel dependent, and a major source of CO₂ emissions. Catalytic membrane reactors (CMRs) provide a promising alternative by combining NH₃ synthesis and separation, but their efficiency is limited by the low NH₃/H₂ separation factor due to similar molecular sizes and dominant H₂ transport. To address this, carbon membranes were investigated for their mechanical strength, thermal stability, and tunable pore structures. Carbon membranes were synthesized, carbonized at 450°C, 500°C, and 600°C, and further modified with zinc (Zn) and nickel (Ni). Their separation performance was tested at 100–300°C, while FT-IR, XPS, XRD, and TGA were used to characterize structural and thermal properties. Results revealed that lower carbonization temperatures preserved functional groups that enhanced NH₃ adsorption-selectivity. CM450 achieved separation factors of 3.2 (NH₃/H₂) and 6.1 (NH₃/N₂) at 300°C. Metal-modified membranes showed improved performance at lower temperatures: CMD15Zn reached 7.7 (NH₃/N₂) and 3.4 (NH₃/H₂), while CMD14Ni achieved 8.3 (NH₃/N₂) and 3.1 (NH₃/H₂) at 100°C. Findings highlight the potential of carbon membranes, especially metal-modified ones, for efficient NH₃ recovery, and suggest further development of low-temperature CMR designs and advanced metal incorporation techniques.

L'ammoniaca (NH₃) è fondamentale per la produzione di fertilizzanti ed è sempre più esplorata come vettore di idrogeno per l'energia sostenibile. Tuttavia, la sintesi convenzionale Haber-Bosch è ad alta intensità energetica, dipende dai combustibili fossili ed è una delle principali fonti di emissioni di CO₂. I reattori catalitici a membrana (CMR) forniscono un'alternativa promettente combinando la sintesi e la separazione di NH₃, ma la loro efficienza è limitata dal basso fattore di separazione NH₃/H₂ dovuto a dimensioni molecolari simili e al trasporto di H₂ dominante. Per risolvere questo problema, le membrane di carbonio sono state studiate per la loro resistenza meccanica, stabilità termica e strutture dei pori regolabili. Le membrane di carbonio sono state sintetizzate, carbonizzate a 450°C, 500°C e 600°C e ulteriormente modificate con zinco (Zn) e nichel (Ni). Le loro prestazioni di separazione sono state testate a 100-300°C, mentre FT-IR, XPS, XRD e TGA sono stati utilizzati per caratterizzare le proprietà strutturali e termiche. I risultati hanno rivelato che temperature di carbonizzazione più basse preservano i gruppi funzionali che migliorano la selettività dell'adsorbimento di NH₃. CM450 ha raggiunto fattori di separazione di 3,2 (NH₃/H₂) e 6,1 (NH₃/N₂) a 300°C. Le membrane modificate con metallo hanno mostrato prestazioni migliori a temperature più basse: CMD15Zn ha raggiunto 7,7 (NH₃/N₂) e 3,4 (NH₃/H₂), mentre CMD14Ni ha raggiunto 8,3 (NH₃/N₂) e 3,1 (NH₃/H₂) a 100°C. I risultati evidenziano il potenziale delle membrane di carbonio, in particolare quelle modificate con metallo, per un recupero efficiente dell'NH₃ e suggeriscono un ulteriore sviluppo di progetti CMR a bassa temperatura e tecniche avanzate di incorporazione del metallo.