Eine neue Methode zur Herstellung von Ammoniak könnte den weltweiten Energieverbrauch verringern

Stanford-Forscher haben einen einfachen und umweltfreundlichen Weg entdeckt, Ammoniak mit winzigen Wassertröpfchen und Stickstoff aus der Luft herzustellen.

Ammoniak (NH3) ist der Ausgangspunkt für die Herstellung von chemischen Düngemitteln für landwirtschaftliche Nutzpflanzen. Seit über einem Jahrhundert verlässt sich die Welt auf das Haber-Bosch-Verfahren, um Ammoniak in großen Mengen zu gewinnen, ein Durchbruch, der dazu beigetragen hat, die Landwirtschaft zu revolutionieren und eine boomende Menschheit zu ernähren. Doch das industrielle Verfahren ist energieintensiv. Um die starken Bindungen des Stickstoffs aufzubrechen, erfordert das Haber-Bosch-Verfahren ungefähr 80–300 Atmosphären Druck und Temperaturen um 572–1000 F (300–500 C). Auch die dabei anfallende Dampfbehandlung von Erdgas setzt reichlich klimaschädliches Kohlendioxid frei.

Alles in allem verschlingt der Haber-Bosch-Prozess zur Deckung des derzeitigen weltweiten Jahresbedarfs von 150 Millionen Tonnen Ammoniak mehr als 2 % der globalen Energie und macht etwa 1 % des in die Atmosphäre emittierten Kohlendioxids aus.

Im Gegensatz dazu erfordert die innovative Methode, die von den Stanford-Forschern vorgestellt wurde, weniger spezialisierte Umstände.

„Wir waren schockiert zu sehen, dass wir Ammoniak in harmlosen, alltäglichen Temperatur- und Druckumgebungen nur mit Luft und Wasser und mit etwas so Einfachem wie einem Sprühgerät erzeugen konnten“, sagte Studienleiter Richard Zare, Marguerite Blake Wilbur Professor in Natural Naturwissenschaften und Professor für Chemie an der Stanford School of Humanities and Sciences. „Wenn dieser Prozess hochskaliert werden kann, würde er eine umweltfreundliche neue Art der Herstellung von Ammoniak darstellen, das einer der wichtigsten chemischen Prozesse der Welt ist.“

Das neue Verfahren verbraucht außerdem wenig Energie und ist kostengünstig und zeigt damit einen Weg auf, die wertvolle Chemikalie möglicherweise auf nachhaltige Weise herzustellen. Xiaowei Song, Postdoktorand in Chemie in Stanford, ist der Hauptautor des lernenveröffentlicht am 10. April in der Proceedings of the National Academy of Sciences.

Neue Chemie aus der Blue-Sky-Studie

Die entdeckte neue Chemie tritt in die Fußstapfen der bahnbrechenden Arbeit des Labors von Zare in den letzten Jahren, bei der die lange übersehene und überraschend hohe Reaktivität von Wassermikrotröpfchen untersucht wurde. In einer Studie aus dem Jahr 2019 zeigten Zare und Kollegen auf neuartige Weise, dass sich ätzendes Wasserstoffperoxid spontan in Mikrotröpfchen bildet, die mit Oberflächen in Kontakt kommen. Seitdem haben Experimente einen Mechanismus bestätigt, bei dem elektrische Ladung zwischen flüssigen und festen Materialien springt und molekulare Fragmente erzeugt, die als reaktive Sauerstoffspezies bekannt sind.

Song und Zare nahmen diese Ergebnisse weiter auf und begannen eine Zusammenarbeit mit dem Co-Autor der Studie, Basheer Chanbasha, einem Professor für Chemie an der King Fahd University of Petroleum and Minerals in Saudi-Arabien. Chanbasha ist auf Nanomaterialien für Energie-, Petrochemie- und Umweltanwendungen spezialisiert und kam letzten Sommer als Gastwissenschaftler nach Stanford.

Das Forschungsteam konzentrierte sich auf einen Katalysator – der Begriff für jede Substanz, die die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion erhöht, aber selbst nicht durch die Reaktion abgebaut oder verändert wird – von dem sie vermuteten, dass er dazu beitragen könnte, einen chemischen Weg zu Ammoniak zu ebnen. Der Katalysator besteht aus einem Eisenoxid namens Magnetit und einer synthetischen Membran, die in den 1960er Jahren erfunden wurde und aus sich wiederholenden Ketten zweier großer Moleküle besteht.

Die Forscher trugen den Katalysator auf ein Graphitnetz auf, das Song in ein gasbetriebenes Sprühgerät integrierte. Der Sprüher sprühte Mikrotröpfchen aus, in denen gepumptes Wasser (H2O) und komprimierter molekularer Stickstoff (N2) in Gegenwart des Katalysators miteinander reagierten. Mit einem als Massenspektrometer bezeichneten Gerät analysierte Song die Eigenschaften der Mikrotröpfchen und sah die Signatur von Ammoniak in den gesammelten Daten.

Low-Tech, Low-Energy-Ammoniak-Synthese

Zare und Kollegen waren mit diesem Ergebnis sehr zufrieden, insbesondere angesichts des relativ Low-Tech-Ansatzes. „Unsere Methode erfordert keine Anwendung von elektrischer Spannung oder Strahlung“, sagte Zare.

Aus einer breiteren Perspektive der Chemie ist die Methode bemerkenswert, da sie drei Materiephasen verwendet: Stickstoff als Gas, Wasser als Flüssigkeit und Katalysator als Feststoff. „Unseres Wissens nach ist die Idee, Gas, Flüssigkeit und Feststoff gleichzeitig zu verwenden, um eine chemische Umwandlung zu bewirken, eine Premiere ihrer Art und hat ein enormes Potenzial, andere chemische Umwandlungen voranzutreiben“, sagte Zare.

Die von Zare, Song und Chanbasha vorgestellte Ammoniak-Produktionsmethode ist zwar vielversprechend, befindet sich aber vorerst nur im Demonstrationsstadium. Die Forscher planen, zu untersuchen, wie das produzierte Ammoniak konzentriert werden kann, und abzuschätzen, wie der Prozess potenziell auf ein kommerziell tragfähiges Niveau skaliert werden könnte. Während Haber-Bosch nur dann effizient ist, wenn es in riesigen Anlagen betrieben wird, könnte die neue Methode zur Herstellung von Ammoniak tragbar sein und vor Ort oder sogar nach Bedarf auf landwirtschaftlichen Betrieben durchgeführt werden. Das wiederum würde die Treibhausgasemissionen im Zusammenhang mit dem Transport von Ammoniak aus weit entfernten Fabriken reduzieren.

„Mit der weiteren Entwicklung hoffen wir, dass unsere Ammoniakerzeugungsmethode dazu beitragen kann, die beiden großen drohenden Probleme anzugehen, die wachsende Erdbevölkerung von Milliarden von Menschen weiterhin zu ernähren und gleichzeitig den Klimawandel abzuschwächen“, sagte Zare. „Wir sind hoffnungsvoll und aufgeregt, diese Forschungslinie fortzusetzen.“

Zare ist außerdem Mitglied von Stanford Bio-X, dem Cardiovascular Institute, dem Stanford Cancer Institute, Stanford ChEM-H, dem Stanford Woods Institute for the Environment und dem Wu Tsai Neurosciences Institute.