Ammoniak ist ein zentraler Grundstoff für die Herstellung von Stickstoffdünger. Bislang wird er überwiegend über das Haber-Bosch-Verfahren gewonnen, das jedoch große Mengen fossiler Energie erfordert. Ein Forschungsteam der Universität Bonn um Prof. Dr. Nikolay Kornienko berichtet über eine mögliche klimafreundliche Alternative, die auf regenerativer Energie basiert.
Haber-Bosch-Verfahren als Grundlage
Das Haber-Bosch-Verfahren bildet seit über 100 Jahren die Grundlage für die industrielle Ammoniaksynthese. Dabei reagieren Stickstoff aus der Luft und Wasserstoff mithilfe eines eisenhaltigen Katalysators unter hohem Druck und hohen Temperaturen zu Ammoniak. Der Wasserstoff stammt dabei meist aus fossilen Quellen, insbesondere Methangas. Der Energiebedarf und die damit verbundenen Emissionen stellen dabei Herausforderungen dar.
„Um das Ziel einer nachhaltigen und klimaneutralen Gesellschaft zu erreichen, ist die Suche nach alternativen Ammoniak-Synthese-Prozessen prioritär“, so Prof. Dr. Nikolay Kornienko vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Bonn.
Elektrochemische Alternative mit Lithium
Forschende arbeiten seit einiger Zeit an elektrochemischen Verfahren, mit denen die Ammoniakproduktion anstatt mit fossilen Energieträgern mit regenerativer Energie aus Sonne und Wind funktioniert. Der erforderliche Wasserstoff kann durch die elektrische Spaltung von Wasser (H2O) in Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) bereitgestellt werden.
„Die Lithium-vermittelte Stickstoffreduktionsreaktion (LiNRR) gilt als der robusteste Weg zur Elektrifizierung der Ammoniak-Synthese“, sagte Hossein Bemana, Hauptautor der Studie.
In diesem elektrochemischen System werden Lithium-Ionen zu einer Lithium-Metallschicht reduziert. Dies reagiert mit Stickstoffgas und bildet eine Lithium-Stickstoff-Verbindung. Unter Zugabe einer Wasserstoffquelle kann daraus Ammoniak (NH3) entstehen, während Lithium-Ionen zurückgebildet werden.
Als Herausforderung gelten bislang der geringe Energiewirkungsgrad, die Notwendigkeit einer luft- und wasserfreien Umgebung sowie das Wachstum einer porösen Festelektrolyt-Grenzschicht (solid electrolyte interphase, SEI) auf der Lithiumschicht.
Wasserstoff direkt aus Wasser
In bisherigen Ansätzen wurden häufig Alkohole oder Lösungsmittel als Wasserstoffquelle genutzt.
„Dies macht das System unpraktisch, da mehrere Alkohol- oder Lösungsmittelmoleküle geopfert werden müssen, um ein Ammonium herzustellen“, berichtete Kornienko.
Das Team um Kornienko untersuchte daher den direkten Einsatz von Wasserstoff als Wasserstoffquelle. Hierfür kam eine Palladiumfolie (Pd) zum Einsatz, die sowohl als Elektrode als auch als Membran diente.
„Palladium kann als Membran dienen, weil es Wasserstoffatome durchlässt.“
Die Folie trennte eine wasserfreie Reaktionsumgebung für die LiNRR von einer wasserbasierten Umgebung.
„Am Ende konnten wir Wasserstoffatome elektrochemisch direkt aus dem Wasser entnehmen und auf das reaktive Lithium/Lithium-Stickstoff-Material übertragen, um Ammoniak herzustellen.“
Mit Infrarotspektroskopie und Massenspektrometrie wiesen die Forschenden die Reaktionswege nach. Der Einsatz von Deuterium, einem schweren Isotop des Wasserstoffs, belegte, dass der Wasserstoff tatsächlich aus der Wasserspaltung stammte.
Herausforderungen und Ausblick
Trotz der vielversprechenden Ergebnisse befindet sich das Verfahren noch in einer frühen Entwicklungsphase. Für eine wirtschaftliche Umsetzung wären nach Einschätzung der Forschenden etwa tausendfach höhere Ausbeuten erforderlich. Zudem müssen Reaktionsgeschwindigkeit, Energieeffizienz und Selektivität weiter optimiert werden.
„Wir befinden uns noch in der Anfangsphase. Generell muss an den Reaktionsgeschwindigkeiten und der Selektivität des Systems – der Steuerung der Elektronen zum gewünschten Ziel – geforscht werden“, so der Chemiker.
Für den Ansatz wurde bereits eine Patentanmeldung eingereicht. Das Projekt wird durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert und die Veröffentlichung durch den Open-Access-Publication-Fund der Universität Bonn unterstützt.
Die Ergebnisse erschienen im Journal „Nature Communications“.
