Neues Kalziummaterial fungiert als Katalysator für die Ammoniaksynthese

Forscher stellen fest, dass Kalzium bei der katalytischen Produktion von Ammoniak Chrom übertrifft. Durch die Zusammenarbeit ist es einem bescheidenen Trio von Kalziumatomen trotz aller Erwartungen gelungen, eine der stärksten bekannten chemischen Bindungen aufzubrechen. Die Atome bilden den Schlüsselteil eines Katalysators, der das dreifach gebundene Stickstoffmolekül (N2) spalten kann, ein wesentlicher Schritt bei der Herstellung synthetischer Düngemittel auf Ammoniakbasis. Die Entdeckung könnte neue und umweltfreundlichere Wege zur Herstellung von Düngemitteln und anderen lebenswichtigen Chemikalien inspirieren.

Die Fähigkeit von Kalzium, die Produktion von Ammoniak aus Stickstoff zu katalysieren, war sehr unerwartet, sagt Yoji Kobayashi, ein Chemiker für anorganische Materialien von KAUST, der die Arbeit mit leitete. Die industrielle Ammoniakproduktion wird derzeit mit einem Eisenkatalysator durchgeführt, der Prozess erfordert jedoch hohe Reaktionstemperaturen und -drücke, was die Suche nach Alternativen angeregt hat.

„Klassische Ammoniaksynthesekatalysatoren funktionieren bekanntermaßen gut, wenn sie auf Ruthenium, Eisen oder Kobalt basieren, während sie mit anderen frühen Übergangsmetallverbindungen wie Chrom äußerst schlecht funktionieren“, sagt Kobayashi. Doch in den letzten Jahren haben Kobayashi und einige andere Gruppen mehrere wirksamere Hydridkatalysatoren auf Basis von Titan, Vanadium und Chrom entdeckt und damit die Suche nach neuen Ammoniakkatalysatoren neu belebt.

Kobayashi und sein Team entdeckten kürzlich ein neues Chromnitrid-Hydrid-Material – das zufällig auch Kalzium enthielt – und zeigten, dass es als Katalysator für die Ammoniaksynthese fungieren könnte. Daher beschlossen sie, den Mechanismus des Katalysators mithilfe einer Kombination aus experimentellen und rechnerischen Methoden genauer zu untersuchen.

„Für die Computerchemie haben wir mit der Gruppe von Luigi Cavallo im KAUST Catalysis Center zusammengearbeitet“, sagt Kobayashi. Der Katalysator – mit der Formel Ca3CrN3H – habe eine recht komplizierte Struktur, fügt er hinzu. „Es gibt viele mögliche Reaktionsorte, und jeder musste überprüft werden, um zu sehen, ob eine Stickstoffumwandlung in Ammoniak machbar ist.“

Die Ergebnisse der Analyse seien sehr überraschend gewesen, sagt Kobayashi. „Was wirklich unerwartet war, war die Rolle von Kalzium“, sagt er. „Das N2 bindet an ein Trio von Calciumatomen auf der Katalysatoroberfläche und wird dann zu Ammoniak hydriert“, sagt er. Das Chromatom, von dem erwartet wird, dass es das Zentrum der Aktion ist, spielt keine direkte Rolle bei der Aktivierung des N2-Moleküls für die Umwandlung in Ammoniak.

Obwohl die Aktivität des Katalysators für die Ammoniaksynthese relativ gering ist, eröffnet er eine neue Forschungsrichtung für die Erforschung von Katalysatormaterialien, weg von den Übergangsmetallelementen, die lange Zeit als wesentlich für diese Reaktion galten. „Es gibt viele andere anorganische Strukturen mit ähnlichen Atomanordnungen, die wir untersuchen könnten“, sagt Kobayashi. „Unsere Studie zeigt, dass sich der Anwendungsbereich guter Katalysatormaterialien mit ein wenig Kreativität immer erweitern lässt“, fügt er hinzu.