Ein neuer Pfad zu grünem Ammoniak

Sonne, Wasser, Luft und metallorganische Katalysatoren – mehr braucht man nicht: Die TU Wien zeigt, wie man Ammoniak mit viel geringerem Energieaufwand produzieren könnte als bisher.

Ohne diese chemische Technologie würden wir wahrscheinlich gar nicht leben: Das Haber-Bosch-Verfahren erzeugt Ammoniak aus dem Stickstoff der Luft – und dieser Ammoniak ist die Basis für Düngemittelproduktion und somit die globale Landwirtschaft. Acht Milliarden Menschen zu ernähren, wäre ohne das Haber-Bosch-Verfahren heute nicht denkbar.

Doch das Verfahren hat einen entscheidenden Nachteil: Es braucht sehr viel Energie. Ungefähr 1,2 Prozent der globalen Treibhausgas-Emissionen werden durch Ammoniak-Produktion verursacht, daher sucht man nach einer nachhaltigeren Lösung. 

Mit „Metallorganischen Frameworks“ (MOFs) als Katalysatoren gibt es eine nachhaltige Alternative für die Ammoniak-Synthese. An der TU Wien wurde nun gezeigt, wie man diese MOF-Strukturen gezielt anpassen kann, um Ammoniak-Bildung zu ermöglichen.

Das Forschungsprojekt wurde in Zusammenarbeit mit internationalen Teams durchgeführt: Wichtige Messdaten kamen von Virginia Tech (USA), Computersimulationen kamen von Technion (Israel Institute of Technology).

Eine der stärksten Bindungen überhaupt

„Wir müssen eine der stärksten Verbindungen aufbrechen, die es in der Chemie überhaupt gibt“, sagt Jana Bischoff vom Institut für Materialchemie der TU Wien, die Erstautorin der aktuellen Studie. Stickstoff liegt in der Luft als N₂-Molekül vor: Zwei Stickstoffatome sind miteinander verbunden, und zwar über eine extrem stabile Dreifachbindung. Will man daraus aber Ammoniak (NH₃) erzeugen, muss man das N₂-Molekül aufbrechen und die einzelnen Stickstoff-Atome mit Wasserstoff verbinden.

Beim Haber-Bosch-Verfahren, das seit über 100 Jahren angewendet wird, erreicht man das mit einem gewaltigen Druck von über 150 Bar und hohen Temperaturen von mindestens 400°C. Genau deshalb ist dieses Verfahren so energieaufwändig.

Die Natur schafft es sanfter

Prinzipiell ist es aber auch möglich, Stickstoffmoleküle auf andere Weise zu trennen – nicht mit der rohen Gewalt extremer Drücke und Temperaturen, sondern mit Hilfe eines klug gewählten Katalysators. Inspiration dafür findet man in der Natur: Bestimmte Bakterien verwenden Nitrogenase, ein eisenhaltiges Enzym, an dem sich Stickstoffmoleküle anlagern und dann getrennt werden.

Ähnliches kann man mit Metallorganischen Frameworks (MOFs) erzielen. Das sind poröse Materialien, in denen Metall-Ionen mit ganz bestimmten organischen Verbindungen zu einer größeren Struktur vernetzt werden. „Wie bei der natürlichen Nitrogenase verwenden auch wir bei unseren metallorganischen Frameworks Eisen – ein Metall, das billig und leicht zu bekommen ist“, sagt Dr. Cornelia von Baeckmann (TU Wien). „Die entscheidende Frage in unserer Forschung war: Wie passen wir die organischen Liganden an, damit das Material Ammoniak erzeugen kann?“

Durch Licht wird im metallorganischen Framework ein angeregter Zustand erzeugt: Elektrische Ladung wird im Material verschoben, insbesondere in Richtung der Eisen-Atome. „Die organischen Linker, die diese Eisen-Atome umgeben, wirken dabei wie chemische Stellschrauben“, erklärt Prof. Dominik Eder (TU Wien): „Sie können Elektronen vom Metall ziehen und so auf subtile Weise das Verhalten des Eisens beeinflussen.“ Somit legen sie fest, wie gut Stickstoff gebunden wird und wie effektiv Protonen aus der wässrigen Umgebung zum Stickstoff gelangen.

Wenn sich ein Stickstoffmolekül an ein geeignetes Eisen-Atom anlagert, wird seine extrem stabile Dreifachbindung geschwächt und chemisch angreifbarer gemacht. Danach kann das Molekül schrittweise mit Elektronen und Protonen zu Ammoniak umgewandelt werden.

Wichtiger Schritt für neue Technologien

„Winzige Veränderungen bei den organischen Liganden können das Verhalten des Eisens stark verändern“, sagt Jana Bischoff. „Wir haben eine ganze Reihe organischer Verbindungen untersucht, um zu verstehen, wie man durch geschickte Auswahl der Verbindungen das Verhalten erreichen kann, das wir uns wünschen.“

Die vorliegende Arbeit ist noch kein Startschuss für industrielle Ammoniak-Produktion – aber sie ist ein wichtiger Schritt in diese Richtung: Metallorganische Frameworks zeigen jedenfalls wichtige neue Wege auf, um maßgeschneiderte Katalyse zu ermöglichen – auch bei energetisch schwierigen und technologisch weltweit bedeutsamen Verfahren wie der Ammoniak-Synthese.