Alternative Ammoniaksynthese

Seit der Erfindung des Schießpulvers war Salpeter ein begehrter Rohstoff, den man aus Mist und Urin herstellte oder als fossiles Mineral aus Chile importierte. Wegen der Entwicklung moderner nitrathaltiger Sprengstoffe und dem zunehmenden Einsatz von Salpeter als Pflanzendünger wurde das Mineral knapp. Daher suchten Chemiker nach einem rationellen Verfahren, den Stickstoff der Luft zu hydrieren, um aus dem Ammoniak die gewünschten Nitrate zu gewinnen. Im Jahr 1910 gelang Fritz Haber und Carl Bosch bei der BASF der Durchbruch. Ihre Erfindung machte Deutschland vom Chilesalpeter unabhängig, lieferte den Munitionsfabriken ihren wichtigsten Rohstoff und machte damit die grausamen Materialschlachten des 1. Weltkriegs möglich, aber sie war auch die Basis für die Produktion von stickstoffhaltigen Düngemitteln, die die Ernährung der wachsenden Bevölkerung sicherten.

Der große Nachteil des Haber-Bosch-Verfahrens ist sein enormer Energieverbrauch, denn als Mittel für die Hydrierung dient Wasserstoffgas, das größtenteils aus dem im Erdgas enthaltenen Methan gewonnen wird: Knapp 5% des geförderten Erdgases und etwa 1,4% der globalen Energieproduktion werden derzeit für die Ammoniaksynthese verbraucht.

Amerikanische Chemiker haben jetzt eine Methode gefunden, den Stickstoff mithilfe von Wasserdampf zu hydrieren. Einem Gemisch der Elektrolyte Natrium- und Kaliumhydroxid (1:1) werden Eisen(III)-oxidpartikel mit einem Durchmesser von 40 nm zugesetzt, die als Katalysator fungieren. Das Gemisch wird auf 200 °C erhitzt und unter Strom gesetzt (1,2 V), dann werden Luft und Wasserdampf zugeführt. Der Strom bewirkt durch die Coulombkraft die Elektrolyse sowohl des Luftstickstoffs als auch des Wasserdampfes, worauf sich die freien Stickstoff- und Wasserstoffatome zu Ammoniak verbinden (wie beim Haber-Bosch-Verfahren) und die überschüssigen Wasserstoffatome zu Wasserstoffgas; der Wirkungsgrad beträgt etwa 35%.

Quelle: Licht S, et al. Ammonia synthesis by N₂ and steam electrolysis in molten hydroxide suspensions of nanoscale Fe₂O₃. Science 2014;345: 637-640