Auf dem Weg zum energieeffizientem Düngemittel
Arbeitskreis von Prof. Dr. Sven Schneider entwickelt neuen Ansatz zur Ammoniaksynthese unter milden Bedingungen
Pflanzen benötigen Stickstoff für ihr Wachstum, sind allerdings nicht in der Lage, das in der Atmosphäre nahezu unbegrenzt verfügbare N2-Gas zu verwerten. Hierzu sind sie vielmehr auf Mikroorganismen angewiesen, die Luftstickstoff mit Hilfe des Enzyms Nitrogenase in Ammoniak (NH3) umwandeln („Stickstofffixierung“) und den Boden mit pflanzlich nutzbaren Ammoniumverbindungen anreichern. Die Leistungsanforderungen der modernen Agrarwirtschaft lassen sich jedoch nur durch zusätzliche Versorgung des Bodens mit erheblichen Mengen stickstoffhaltiger Düngemittel erreichen. 90 Prozent der weltweit eingesetzten Düngemittel werden aus Ammoniak hergestellt, dessen industrielle Produktion mehr als ein Prozent des Weltenergieverbrauchs verschlingt. Wegen der ausgeprägten Reaktionsträgheit von Luftstickstoff gelingt die Reaktion mit Wasserstoff nach dem Haber-Bosch-Verfahren derzeit nur unter drastischen Bedingungen – bei hohen Temperaturen (450°C) und Drücken (300 bar). Angesichts der milden Bedingungen, unter denen Bodenbakterien diesen Prozess durchführen, stellt die Entwicklung eines synthetischen Analogons seit langer Zeit ein wichtiges Forschungsziel für die homogenen Katalyse dar. Auf dem Weg zur Entwicklung leistungsfähiger Katalysatoren zur energieeffizienteren Stickstofffixierung hat der Arbeitskreis von Prof. Dr. Sven Schneider, Lehrstuhl für Anorganische und Allgemeine Chemie, gemeinsam mit Chemikern der Wolfgang-Goethe-Universität Frankfurt nun eine weitere Hürde genommen. Die Ergebnisse veröffentlichten Prof. Dr. Schneider und seine Kollegen nun in der Zeitschrift Nature Chemistry (Nature Chem. 2011, 3, 532-537).
Für die synthetische Herstellung von Ammoniak sind zwei Probleme zu Lösen: N2 muss durch Spaltung der äußerst starken NºN-Dreifachbindung an einem Metallkatalysator chemisch aktiviert werden. Im Anschluss müssen so gebildete, metallgebundene N-Atome („Nitride“) mit Wasserstoff zur Reaktion gebracht werden („Hydrogenolyse“), so dass NH3 gebildet wird. Bei potentiellen homogenen Katalysatoren tritt jedoch ein grundsätzliches Dilemma auf: Während die N2-Spaltung in der Vergangenheit unter milden Bedingungen realisiert werden konnte, sind die gebildeten Nitride jedoch so stabil, dass sie nicht mit H2 zu Ammoniak weiterreagieren.
In einer kombinierten experimentellen und theoretischen Studie berichtet das Forscherteam nun erstmalig über die Reaktion eines Metallnitrid-Komplexes mit H2 zu Ammoniak unter sehr milden Reaktionsbedingungen (50 °C, 1 bar H2-Druck). Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Verwendung von „kooperativen Pinzettenliganden“. Die quantenchemische Analyse der Reaktion zeigt, dass die Spaltung der H-H Bindung nicht allein am Metallzentrum des Katalysators erfolgt, sondern dass das Zusammenwirken mehrerer Bausteine des Katalysators die Reaktion drastisch beschleunigt. Die gegenwärtig verwendeten Katalysatoren erlauben noch nicht die Verwendung von N2-Gas als Stickstoffquelle, sondern verwenden hierzu Azide (s. Abbildung). Aus Sicht der Grundlagenforschung eröffnet diese Arbeit allerdings einen neuen Ansatz zur Entwicklung homogener Katalysatoren für die Herstellung von NH3 aus N2 und H2 unter milden Reaktionsbedingungen.
Publikation
S. Schneider, B. Askevold et al. „Ammonia Formation by metal-ligand cooperative hydrogenolysis of a nitrido ligand”, Nature Chem. 2011, 3, 532-537.
Kommentare
Y. Nishibayashi „Nitrogen fixation: Nitrido complexes step up”, Nature Chem. 2011, 3, 502-504.
S. Hadlington „Homing in on a cheaper Haber-Bosch process“, RSC Chemistry World, May 2011.
Weitere Informationen
Prof. Sven Schneider, Department Chemie und Pharmazie, Tel: (09131) 85-27375, sven.schneider@chemie.uni-erlangen.de.
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