Industrielle Stickstofffixierung Ammoniaksynthese unter milden Bedingungen

Redakteur: Gabriele Ilg

Forschern der Goethe-Universität in Frankfurt ist es in Zusammenarbeit mit Chemikern der Universität Erlangen erstmals gelungen, die industrielle Ammoniaksynthese mithilfe eines Metallkatalysators unter milden Reaktionsbedingungen durchzuführen. Bisher konnte dieser Prozess nur unter extremen Temperaturen und Druckbedingungen ablaufen.

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Reaktionsschema der Ammoniaksynthese (Bild: Goethe-Universität Frankfurt)
Reaktionsschema der Ammoniaksynthese (Bild: Goethe-Universität Frankfurt)

Frankfurt/Main – Pflanzen benötigen für ihr Wachstum Stickstoff, sind allerdings nicht in der Lage, das in der Atmosphäre nahezu unbegrenzt verfügbare N2-Gas zu verwerten. Hier sind sie auf symbiotisch lebende Mikroorganismen angewiesen, die Luftstickstoff mihilfe des Enzyms Nitrogenase in Ammoniak (NH3) umwandeln und den Boden mit pflanzlich nutzbaren Ammoniumverbindungen anreichern. Dieser Vorgang wird auch als Stickstofffixierung bezeichnet.

Die leistungsintensive moderne Agrarwirtschaft ist auf eine zusätzliche Versorgung des Bodens mit erheblichen Mengen stickstoffhaltiger Düngemittel angewiesen. 90 Prozent der weltweit eingesetzten Düngemittel werden aus Ammoniak hergestellt, dessen industrielle Produktion nach dem Haber-Bosch-Verfahren mehr als ein Prozent des Weltenergieverbrauchs verschlingt.

Ein Team von Chemikern der Goethe-Universität und der Universität Erlangen berichtet in einer kombinierten experimentellen und theoretischen Studie erstmals von einer energieeffizienteren industriellen Stickstofffixierung.

„Wegen der ausgeprägten Reaktionsträgheit von Luftstickstoff gelingt die Reaktion mit Wasserstoff in der industriellen Ammoniaksynthese derzeit nur unter drastischen Bedingungen – aktuelle Prozesse benötigen Temperaturen von 450 °C und Drücke von 300 bar“, erklärt Prof. Max Holthausen vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Goethe-Universität. „Angesichts der milden Bedingungen, unter denen Bodenbakterien diesen Prozess durchführen, stellt die Entwicklung eines chemisch-technischen Analogons seit langer Zeit ein wichtiges Forschungsgebiet für die metallorganische Chemie dar.“

Für die synthetische Herstellung von Ammoniak sind zwei gewaltige Hürden zu überwinden: Zunächst muss das N2-Gas aus der Luft durch Spaltung der äußerst starken Dreifachbindung zwischen den beiden Stickstoffatomen an einem Metallzentrum chemisch aktiviert werden. Im Anschluss müssen die so gebildeten, metallgebundene N-Atome („Nitride“) mit Wasserstoff (H2) zur Reaktion gebracht werden, sodass Ammoniak gebildet wird. „Dabei tritt ein grundsätzliches Dilemma auf“, so Prof. Sven Schneider vom Lehrstuhl für Anorganische und Allgemeine Chemie der Universität Erlangen-Nürnberg: „Gelingt die N2-Spaltung im ersten Schritt, so ist das gebildete Nitrid in der Regel derart stabil, dass es gar nicht erst weiterreagiert.“ Während der erste Schritt in der Vergangenheit unter milden Bedingungen realisiert werden konnte, waren für den zweiten Reaktionsschritt bislang keine derartigen Beispiele bekannt.

Die Forscher konnten nun diesen zweiten Schritt erstmals unter sehr milden Reaktionsbedingungen (50 °C, 1 bar H2-Druck) durchführen. Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Verwendung eines Metallkatalysators mit ,kooperativem Pinzettenliganden´. Die quantenchemische Analyse der Reaktion zeigt, dass die Spaltung der H-H Bindung nicht allein am Metallzentrum des Katalysators erfolgt, sondern dass das Zusammenwirken mehrerer Bausteine des Katalysators die Reaktion stark beschleunigt.

Die verwendeten Katalysatoren erlauben allerdings noch nicht die Verwendung von N2-Gas als Stickstoffquelle, sondern verwenden hierzu Azide. Aus Sicht der Grundlagenforschung stellt die Arbeit dennoch einen Meilenstein zur Realisierung einer chemisch-technischen Variante der Stickstofffixierung dar und weist neue Wege zur Entwicklung von Katalysatoren für die Herstellung von Ammoniak aus N2 und H2 unter milden Reaktionsbedingungen.

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