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Schonende Ammoniaksynthese : Ein grüner Weg zum Stickstoffdünger

Der Natur auf die Synthese-Finger geschaut

Seit langem ist bekannt, dass das katalytische Zentrum aus einem großen Metallcluster besteht, der Eisen, Molybdän und Vadanadium enthält. Dort wird der Stickstoff aus der Luft gebunden und aktiviert, so dass er mit Wasserstoff zu Ammoniak reagieren kann. Welches Metall aber für die katalytische Reaktion hauptverantwortlich ist, darüber gehen die Meinungen auseinander. Forscher um Jonas Peters vom Caltech in Passadena nfavorisieren Eisen als Katalysator. Sie haben aber auch zeigen können, dass Ruthenium und Osmium im Verbund offenkundig ebenfalls in der Lage sind, Stickstoffmoleküle zu spalten und in Ammoniak umzuwandeln. Andere Forscher wie Haihui Wang  von der südchinesischen Technischen Universität in Guangzhou experimentieren mit schwarzem Phosphor als Katalysator.

Die Forscher um Yoshiaki Nishibayashi setzen dagegen auf Molybdän als aktives Metall. Und ihre jüngsten Ergebnisse scheinen ihre Wahl zu bestätigen. Wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten, haben sie einen Molybdän-Komplex hergestellt, der effizient die Umsetzung von Stickstoffmolekülen katalysieren kann, wenn das Gas mit Atmosphärendruck vorliegt. Als Quelle für Wasserstoff diente den Forschern normales Wasser. Als Reduktionsmittel wählte man die Verbindung Samariumiodid. Diese bewirkte eine Lockerung der Sauerstoff-Wasserstoff-Bindungen, so dass genügend freie Wasserstoffatome entstehen konnten, die sich mit den angeregten Stickstoffatomen zu Ammoniak-Molekülen verbanden.

Erstaunliche Resultate bei milden Bedingungen

Wie sich herausstellte, lief die Reaktion schon bei Raumtemperatur überaus effizient ab. Innerhalb von vier Stunden – so lange blieb der Molybdän-Komplex stabil – wurden pro Katalysator-Molekül 4350 Moleküle Ammoniak erzeugt. Nach Aussagen der Forscher um Nishibayashi ist die Ausbeute vergleichbar mit derjenigen, die ein einzelnes Nitrogenase-Enzym erzielt. Andere Forscher wie Jonas Peters erreichen mit anderen Katalysatoren eine deutlich geringere Ausbeute, bestenfalls einige hundert Ammoniak-Moleküle. Ein weiterer Vorteil des japanischen Verfahrens: Es funktioniert auch, wenn man statt Wasser etwa den Alkohol Ethylenglykol als Wasserstoffquelle nutzt.

Allerdings ist das Verfahren, auch wenn es im Labormaßstab erstaunliche Ergebnisse liefert, aktuell nicht für die großtechnische Ammoniakgewinnung geeignet. „Es habe noch zu viele Nachteile“, schreiben Máté Bezdek und Paul Chirik von der Princeton University in einem Begleitkommentar in „Nature“: So würden zu große Mengen des wertvollen und teuren seltenen Erdmetalls Samarium benötigt, um die Reaktion in Gang zu halten. Zudem sei es noch äußerst aufwendig, Ammoniak aus wässriger Lösung abzutrennen. Ein weiterer Schwachpunkt: Die Energiebilanz der Reaktion ist unausgewogen. So wird zur Ammoniaksynthese insgesamt mehr Energie benötigt, als für die reine katalytische Spaltung der Stickstoffmoleküle notwendig ist. Rechnerisch kommen die Forscher pro Mol an gewonnenem Ammoniak  auf 590 Kilojoule. Um die Reaktion zu optimieren, müsste man dieses Überpotential verringern, so die  Bezdek und Chirik. Auch bei der natürlichen Ammoniaksynthese mit Hilfe des Enzyms Nitrogenase wird mehr chemische Energie in Form von ATP-Molekülen  bereit gestellt, als benötigt wird. Die überschüssige Energie wird zur Wasserstoffgewinnung genutzt.

Auch wenn der Ansatz der japanischen Forscher nicht mit dem altbewährten Haber-Bosch-Verfahren konkurrieren kann, so hat er doch einen Weg aufgezeigt, dass man etwa durch stabilere Katalysatoren und Reduktionsmittel, die günstiger sind als Samarium, eines Tages Ammoniak ressourcenschonender und energieeffizienter gewinnen könnte.

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