Forscher unter der Leitung von Satoshi Kamiguchi am RIKEN Center for Sustainable Resource Science (CSRS) in Japan haben einen umweltfreundlicheren Weg zur Herstellung von Ammoniak entdeckt, einer essentiellen Verbindung, die in Düngemitteln verwendet wird.
Die Studie, veröffentlicht In Chemische Wissenschaftbeschreibt einen neuen Katalysator, der bei relativ niedrigen Temperaturen stabil arbeitet und so den Energie- und Geldaufwand für die Ammoniaksynthese reduziert. Da Ammoniak eine hervorragende Möglichkeit zur sicheren Speicherung von Wasserstoff und an sich auch ein ausgezeichneter alternativer Kraftstoff ist, wird diese Entdeckung den Umstieg von fossilen Brennstoffen auf eine CO2-neutrale und grüne Energiewirtschaft erleichtern.
Düngemittel sind eine Möglichkeit, Pflanzen mit zusätzlichem Stickstoff zu versorgen, der ihnen beim Wachstum hilft und die Ernteerträge steigert. Der Stickstoff in Düngemitteln stammt aus Ammoniak, das durch die Spaltung von Wasserstoff- (H2) und Stickstoffmolekülen (N2) und die Verbindung der einzelnen Elemente zu Ammoniakgas (NH3) durch das Haber-Bosch-Verfahren entsteht. Die Reaktion erfordert extrem hohe Drücke und Temperaturen sowie einen Eisenkatalysator.
Der extrem hohe Druck und die Temperaturen – etwa 200 atm und 500 °C (932 °F) –, die für die Reaktion erforderlich sind, erfordern eine große Energiemenge. Da Ammoniak in großem Umfang in Düngemitteln und anderen Industriezweigen verwendet wird, verbraucht die weltweite Produktion enorme Mengen an Energie. Um den Energie-Fußabdruck von Ammoniak zu reduzieren, haben die RIKEN CSRS-Forscher eine umweltfreundlichere und energiefreundlichere Reaktion entwickelt, die bei viel niedrigeren Temperaturen stabil ablaufen kann, ohne deaktiviert zu werden.
Die größte Hürde war der Abbau des Stickstoffgases, da zwischen den beiden Stickstoffatomen innerhalb eines Stickstoffgasmoleküls eine starke Dreifachbindung besteht. „Der Trick bestand darin, ultrakleine Molybdänmetallpartikel zu verwenden, die aus einem sechskernigen molekularen Metallhalogenidcluster hergestellt und dann mit Wasserstoffgas aktiviert wurden“, sagt Kamiguchi.
Nach der Aktivierung arbeiten mehrere Molybdänatome zusammen, um die starken Stickstoff-Stickstoff-Bindungen aufzubrechen und die Ammoniaksynthese schnell voranzutreiben. Bei Tests konnte mit dieser neuen Methode Ammoniak aus Stickstoff- und Wasserstoffgasen kontinuierlich über mehr als 500 Stunden bei 200 °C (392 °F) erzeugt werden, wodurch die erforderliche Temperatur bei Verwendung des herkömmlichen Haber-Bosch-Verfahrens erheblich gesenkt wurde.
Zusätzlich zu den Auswirkungen auf die Düngemittelindustrie könnte die neue Art der Ammoniakproduktion indirekt dazu beitragen, die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren, wenn weltweit Ammoniak als Kraftstoff verwendet würde. Ammoniak-Kraftstoff lässt sich direkt in Verbrennungsmotoren verbrennen, ohne CO2 auszustoßen, hat sich aufgrund des energiereichen Haber-Bosch-Verfahrens jedoch nicht zu einer praktikablen Alternative entwickelt.
Einer der Vorteile der neuen Methode besteht darin, dass sie eine energieärmere Ammoniakproduktion ermöglichen würde, was die Kohlenstoffemissionen erheblich reduzieren würde, wenn Ammoniakbrennstoff in großem Maßstab verwendet würde.
Während Ammoniak Stickstoff für Düngemittel speichert, speichert es gleichzeitig auch Wasserstoff. Damit ist es ein idealer Träger für Wasserstoff, der von manchen als ideale Energiequelle angesehen wird. Wenn der gespeicherte Wasserstoff benötigt wird, kann er aus Ammoniak gelöst und als Kraftstoff verwendet werden, ohne Kohlendioxid auszustoßen.
„Der Ersatz des Haber-Bosch-Verfahrens durch unser neues Verfahren sollte zu weltweiten Energieeinsparungen führen“, sagt Kamiguchi. „Wenn Ammoniak- und Wasserstoffbrennstoffe in viel größeren Mengen verwendet werden, wird eine erhebliche Reduzierung des Energiebedarfs für die Synthese von Ammoniak zu geringeren CO2-Emissionen führen und dazu beitragen, eine weitere globale Erwärmung zu verhindern.“
Ein Problem bleibt weiterhin bestehen. Der zur Herstellung von Ammoniak benötigte Wasserstoff wird selbst noch mit fossilen Brennstoffen hergestellt und würde in den nötigen großen Mengen ebenfalls zu enormen CO2-Emissionen und Energieverbrauch führen. Kamiguchi stellt daher fest: „Wenn unser Katalysatorsystem mit der grünen H2-Produktion aus erneuerbaren Energien kombiniert wird, könnte der Ausstoß von CO2 zur globalen Erwärmung noch weiter reduziert werden.“
Derzeit konzentriert sich das Forschungsteam auf die Zugabe von Promotoren zum Katalysator auf Molybdänbasis, die die Ammoniaksynthese effizienter machen sollen.
Mehr Informationen:
Satoshi Kamiguchi et al., Katalytische Ammoniaksynthese auf einem HY-Zeolith-unterstützten Molybdäncluster in Angström-Größe, Chemische Wissenschaft (2024). DOI: 10.1039/D3SC05447K