Wasserstoff und Düngemittel zugleich produzieren

Ein Forscherteam der Universitätsallianz Ruhr hat einen Katalysator gefunden, mit dem sich Ammoniak in den Energieträger Wasserstoff und die Düngemittel-Vorstufe Nitrit umwandeln lässt. Die Herstellung von Wasserstoff und die Produktion von Düngemittel sind bislang getrennte chemische Prozesse.

Mit dem neuen Ansatz zeigt das Team der Ruhr-Universität Bochum und der Universität Duisburg-Essen, dass sich beides im Labormaßstab kombinieren lässt. Über die Ergebnisse berichtet die Bochumer Gruppe um Ieva Cechanaviciute und Prof. Dr. Wolfgang Schuhmann gemeinsam mit Bhawana Kumari und Prof. Dr. Corina Andronescu von der Universität Duisburg-Essen im Fachjournal Angewandte Chemie am 23. Juni 2024.

Wasserstoff kann durch die Spaltung von Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (O2) mithilfe elektrischer Energie erzeugt werden. Um diesen Prozess nachhaltig zu gestalten, sollte die Energie aus erneuerbaren Quellen stammen.

„Das geht nur in einem Land, in dem es viel Platz für Windkraft und viel Sonne für Photovoltaik gibt, zum Beispiel in Namibia“, erklärt Schuhmann.

Um in Deutschland eine Wirtschaft aufzubauen, die auf Wasserstoff basiert, muss dieser also aus fernen Ländern importiert werden. Die Krux dabei: Um Wasserstoff für den Transport zu verflüssigen, ist viel Energie nötig, denn erst bei extrem niedrigen Temperaturen von minus 253 Grad Celsius oder hohen Drücken wird er flüssig.

Ammoniak ist leichter zu transportieren als Wasserstoff

Alternative Konzepte sehen deshalb vor, Wasserstoff am Produktionsort in Ammoniak umzuwandeln, da dieses bei minus 33 Grad Celsius flüssig wird. Zudem verfügt es über eine höhere Energiedichte.

„Ein Tanker voll flüssigem Ammoniak würde etwa 2,5-mal mehr Energie transportieren als ein Tanker voll flüssigem Wasserstoff“, erklärt Schuhmann.

Schließlich müsste Ammoniak am Einsatzort wieder in Wasserstoff umgewandelt werden. Dies geschieht üblicherweise durch die umgekehrte Haber-Bosch-Reaktion, bei der Ammoniak (NH3) in Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) umgewandelt wird. Von den beiden Produkten kann jedoch nur der Wasserstoff gewinnbringend genutzt werden.

Doppelte Wasserstoffausbeute

„Wir kamen daher auf die Idee, die umgekehrte Haber-Bosch-Reaktion mit einer zweiten Wasserelektrolyse zu kombinieren und so ein Produkt zu erzeugen, das sich problemlos zur Herstellung von Düngemitteln, beispielsweise Nitrit oder Nitrat, anstelle von Stickstoff verwenden lässt“, erklärt Ieva Cechanaviciute.

Bei dieser Reaktion werden unter Verbrauch von Ammoniak (NH3) und Wasser (H2O) Nitrit (NO2-) und Wasserstoff (H2) produziert. Im Gegensatz zur umgekehrten Haber-Bosch-Reaktion verdoppelt sich die Wasserstoffausbeute und es entsteht statt nicht verwertbarem Stickstoff vor allem Nitrit, welches zu Düngemittel weiterverarbeitet werden kann.

Für die Reaktion nutzte das Team Gasdiffusionselektroden, in die Ammoniak als Gas eingeleitet werden kann. „Das gab es vorher noch nie“, erklärt Schuhmann. „Bisher wurde Ammoniak in gelöster Form eingesetzt.“

Überwindung des thermodynamischen Canyons

Eine Herausforderung für die Forscher bestand darin, einen geeigneten Katalysator zu finden, mit dem sich ihre Idee realisieren ließ. Denn der Ausgangsstoff NH3 neigt aufgrund der sehr starken Stickstoff-Stickstoff-Dreifachbindung dazu, sich in Stickstoff umzuwandeln und nicht in Nitrit.

„Diesen thermodynamischen Grand Canyon mussten wir zunächst überbrücken“, erklärt Cechanaviciute. In früheren Arbeiten hatte das Team bereits mit Multimetall-Katalysatoren experimentiert, die sich für diesen Zweck als geeignet erwiesen. Sie konnten 87 Prozent der übertragenen Elektronen in Nitrit umwandeln. Zudem gelang es dem Team, Sauerstoff als unerwünschtes Nebenprodukt der Wasserelektrolyse zu vermeiden.

„Unsere Arbeit zeigt, dass unser Gedankenexperiment prinzipiell funktionieren kann“, resümiert Schuhmann. „Von einer technischen Umsetzung im industriellen Maßstab sind wir allerdings noch weit entfernt.“