Wie im Garten Eden: Getreide, R\u00fcben und Kartoffeln sollen m\u00f6glichst \u00fcppig sprie\u00dfen, damit die Teller gut gef\u00fcllt sind. Daf\u00fcr sorgt regelm\u00e4\u00dfige D\u00fcngung – vor allem mit Stickstoff. Ein N\u00e4hrelementquell, der scheinbar nie versiegt. Denn Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelten Fritz Haber und Carl Bosch ein Verfahren, das Stickstoff aus der schier unersch\u00f6pflichen Luft gewinnt. F\u00fcr diese Leistung gab\u2019s 1918 den Nobelpreis f\u00fcr Chemie.<\/p>\n
Mit einem eisenhaltigen Katalysator, sehr hohem Druck und Temperaturen von bis zu 500 Grad Celsius bindet das Haber-Bosch-Verfahren Stickstoff aus der Luft an Wasserstoff, wodurch Ammoniak entsteht. Nur am Rande: Auch einige Pflanzen beherrschen die Kunst, mit winzigen Bakterien in ihren Wurzeln Luftstickstoff zu binden und f\u00fcr ihr Wachstum verf\u00fcgbar zu machen. Allerdings schaffen dies die gr\u00fcnen Gew\u00e4chse klimaneutral, der Mensch bislang nicht.<\/p>\n
\u201eDas Haber-Bosch-Verfahren ist extrem energieaufwendig\u201c, sagt Prof. Dr. Nikolay Kornienko vom Institut f\u00fcr Anorganische Chemie der Universit\u00e4t Bonn. Grundlage f\u00fcr die Ammoniak-Gewinnung sind ganz \u00fcberwiegend fossile Energietr\u00e4ger \u2013 entsprechend gro\u00df ist der Aussto\u00df am Treibhausgasen. \u201eUm das Ziel einer nachhaltigen und klimaneutralen Gesellschaft zu erreichen, ist die Suche nach alternativen Ammoniak-Synthese-Prozessen priorit\u00e4r\u201c, sagt Kornienko, der auch Mitglied im Transdisziplin\u00e4ren Forschungsbereich \u201eMatter\u201c der Universit\u00e4t Bonn ist.<\/p>\n
Stickstoffd\u00fcnger aus Sonne und Wind<\/strong><\/p>\n Alternative Methoden? Daran wird schon l\u00e4nger experimentiert. Ziel ist es, die Haber-Bosch-Ammoniaksynthese durch ein Verfahren zu ersetzen, das mit regenerativer Energie etwa aus Sonne und Wind arbeitet. Der erforderliche Wasserstoff stammt dann nicht mehr aus dem Methangas, sondern wird direkt aus der elektrischen Spaltung von Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) gewonnen. Klingt einfach? Ist es aber nicht. Wer Ammoniak mithilfe von Wind und Sonne in gro\u00dfem Ma\u00dfstab produzieren will, muss in den chemischen Reaktionswegen etliche Klippen umschiffen.<\/p>\n \u201eDie Lithium-vermittelte Stickstoffreduktionsreaktion (LiNRR) gilt als der robusteste Weg zur Elektrifizierung der Ammoniak-Synthese\u201c, sagt Hossein Bemana, der Hauptautor der Studie. In diesem System werden Lithium-Ionen (Li+) elektrochemisch zu einer Lithium-Metallschicht reduziert. Dieses Lithiummetall kann dann mit Stickstoffgas (N2) reagieren und eine Lithium-Stickstoff-Verbindung bilden. Wenn eine Wasserstoffquelle vorhanden ist, wird die Lithium-Stickstoff-Verbindung in Ammoniak (NH3) und gel\u00f6ste Lithium-Ionen umgewandelt. Dann geht es wieder von vorne los, und der Prozess kann von neuem beginnen. Soweit die Theorie.<\/p>\n \u201eGenerell sehen wir dieses System vorerst als Modell an, da mehrere praktische Schwierigkeiten bestehen\u201c, sagt Kornienko. Weil eine hohe Spannung erforderlich ist, um Lithiumionen zu metallischem Lithium zu reduzieren, ist der Energiewirkungsgrad auf etwa 25 Prozent begrenzt. Au\u00dferdem muss das System in einer luft- und wasserfreien Umgebung arbeiten, da Lithiummetall sehr reaktiv ist. Eine weitere Herausforderung ist, dass \u00e4hnlich wie in Batterien auf der Lithiumschicht eine por\u00f6se Festelektrolyt-Grenzschicht (solid electrolyte interphase, abgek\u00fcrzt: SEI) w\u00e4chst. Diese Schicht muss den Durchgang von Stickstoffgas und Wasserstoff als Reaktanten zum Lithium erm\u00f6glichen.<\/p>\n Das Falsche wird geopfert<\/strong><\/p>\n Im Idealfall w\u00fcrde der Wasserstoff direkt aus der Spaltung von Wasser stammen. Doch werden in diesem System in der Regel Alkohole als Wasserstoffquelle verwendet. Teils zersetzt sich auch das L\u00f6sungsmittel und dient dann selbst als Wasserstoffquelle. \u201eDies macht das System unpraktisch, da mehrere Alkohol- oder L\u00f6sungsmittelmolek\u00fcle geopfert werden m\u00fcssen, um ein Ammonium herzustellen\u201c, sagt der Chemiker.<\/p>\n Jedoch haben die Forschenden einen Weg gefunden, wie sich der Wasserstoff direkt aus der Spaltung von Wasser gewinnen und auf Stickstoff \u00fcbertragen l\u00e4sst. Sie haben eine Palladiumfolie (Pd) als Elektrode und gleichzeitig als Membran verwendet. \u201ePalladium kann als Membran dienen, weil es Wasserstoffatome durchzul\u00e4sst\u201c, berichtet Kornienko. Im Experiment trennte die Pd-Folie eine wasserfreie Reaktionsumgebung, in der die LiNRR-Reaktionen ablaufen, von einer Reaktionsumgebung auf Wasserbasis. \u201eAm Ende konnten wir Wasserstoffatome elektrochemisch direkt aus dem Wasser entnehmen und auf das reaktive Lithium\/Lithium-Stickstoff-Material \u00fcbertragen, um Ammoniak herzustellen\u201c, sagt der Chemiker.<\/p>\n Dass dies wirklich so funktioniert wie gew\u00fcnscht, haben die Forschenden mit Infrarotspektroskopie und Massenspektrometrie nachgewiesen. Sie verwendeten ein schweres Isotop des Wassersstoffs (Deuterium = D) als Wasserquelle und stellten damit ND3 statt NH3 her. Umgekehrt markierten die Forschenden alle Molek\u00fcle im LiNRR-Kompartiment mit D anstelle von H \u2013 wie gew\u00fcnscht entstand in diesem Fall NH3 und nicht wie zuvor ND3.<\/p>\n Forscher reichen Patentanmeldung ein<\/strong><\/p>\n Hossein Bemana und Nikolay Kornienko haben zu diesem Verfahren bereits ein Patent angemeldet. Das Forschungsteam verwendete f\u00fcr seine Experimente zur Erzeugung von Ammoniak (NH3) nur elektrischen Strom. Allerdings ist es noch ein weiter Weg, bis sich der gew\u00fcnschte Stickstoffd\u00fcnger aus erneuerbaren Energiequellen wirtschaftlich rentabel herstellen l\u00e4sst. Hierf\u00fcr m\u00fcssten die Wissenschaftler etwa die 1000-fache Ausbeute im Vergleich zu ihren aktuellen Experimenten erreichen. \u201eWir befinden uns noch in der Anfangsphase\u201c, sagt der Chemiker. \u201eGenerell muss an den Reaktionsgeschwindigkeiten und der Selektivit\u00e4t des Systems \u2013 der Steuerung der Elektronen zum gew\u00fcnschten Ziel \u2013 geforscht werden.\u201c\u00a0<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Wie im Garten Eden: Getreide, R\u00fcben und Kartoffeln sollen m\u00f6glichst \u00fcppig sprie\u00dfen, damit die Teller gut gef\u00fcllt sind.…\n","protected":false},"author":2,"featured_media":4215,"comment_status":"","ping_status":"","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[1842],"tags":[1741,3364,29,30,1209],"class_list":{"0":"post-300356","1":"post","2":"type-post","3":"status-publish","4":"format-standard","5":"has-post-thumbnail","7":"category-bonn","8":"tag-bonn","9":"tag-de","10":"tag-deutschland","11":"tag-germany","12":"tag-nordrhein-westfalen"},"share_on_mastodon":{"url":"https:\/\/pubeurope.com\/@de\/114930706543947570","error":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/300356","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/2"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=300356"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/300356\/revisions"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/4215"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=300356"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=300356"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.europesays.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=300356"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}