Neuer Weg zu grünem Dünger

Ammoniak (NH₃) ist ein Grundpfeiler der modernen Landwirtschaft – insbesondere zur Herstellung von Stickstoffdünger. Heute wird er fast ausschließlich durch das über 100 Jahre alte Haber-Bosch-Verfahren gewonnen. Dabei reagiert Luftstickstoff (N₂) unter hohem Druck und bei Temperaturen von bis zu 500 Grad Celsius mit Wasserstoff (H₂). Dieser stammt meist aus fossilem Methangas. Das Verfahren sichert die Welternährung – ist aber gleichzeitig ein Klimatreiber: Rund 2 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs gehen allein auf die Haber-Bosch-Synthese zurück.

„Um das Ziel einer nachhaltigen und klimaneutralen Gesellschaft zu erreichen, ist die Suche nach alternativen Ammoniak-Synthese-Prozessen prioritär“, sagt Professor Nikolay Kornienko vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Bonn. Er und sein Team entwickelten eine Methode, die ohne fossile Energieträger auskommt – und vollständig mit regenerativem Strom betrieben werden kann.

Lithium als Schlüsselfigur der Reaktion

Im Zentrum steht die sogenannte lithiumvermittelte Stickstoffreduktionsreaktion (Li-mediated nitrogen reduction reaction, kurz LiNRR). Dabei wird an einer Elektrode metallisches Lithium (Li) abgeschieden. Dieses reagiert mit Stickstoffgas zu einer Lithium-Stickstoff-Verbindung (Li₃N), die sich bei Zugabe von Wasserstoff zu Ammoniak umwandeln lässt. Danach kann der Kreislauf erneut beginnen. Bisher war allerdings unklar, wie sich der nötige Wasserstoff nachhaltig einbringen lässt. Oft dienten Alkohole oder gar das Lösungsmittel selbst als H-Quelle – ein unpraktischer Umweg mit schlechter Energieeffizienz. „Mehrere Moleküle müssen geopfert werden, um ein einziges Ammoniakmolekül zu erzeugen“, erklärt Hauptautor Hossein Bemana. Das Team suchte nach einem direkteren Weg.

Der Durchbruch: Wasserstoff per Palladiummembran

Die Lösung liegt in einem doppelseitigen Reaktordesign mit einer ultradünnen Palladiumfolie. Diese trennt zwei getrennte Flüssigkeitsräume – einen wässrigen, in dem Wasserstoff elektrochemisch aus Wasser freigesetzt wird, und einen organischen, in dem das reaktive Lithium arbeitet. Palladium besitzt eine besondere Eigenschaft: Es kann atomaren Wasserstoff durch seine Gitterstruktur hindurchleiten. „Am Ende konnten wir Wasserstoffatome elektrochemisch direkt aus dem Wasser entnehmen und auf das reaktive Lithium/Lithium-Stickstoff-Material übertragen, um Ammoniak herzustellen“, berichtet Kornienko. Der Trick: Die beiden Reaktionen – H₂O-Elektrolyse und NH₃-Synthese – laufen getrennt, aber synchronisiert ab. Die Wasserstoffatome müssen nicht mehr durch die komplexe Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) des LiNRR-Systems diffundieren, sondern können „von hinten“ eingespeist werden.

Nachweis mit Deuterium – und ein Patent

Um sicherzustellen, dass der produzierte Wasserstoff tatsächlich aus dem Wasser stammt, verwendete das Team schweren Wasserstoff (Deuterium, D₂O) in den Experimenten. Ergebnis: Es entstand überwiegend ND₃ statt NH₃ – ein klarer Nachweis, dass der H-Transfer durch die Palladiummembran funktioniert. Auch in Kontrollversuchen mit umgekehrter Isotopenmarkierung konnte der Ursprung des Wasserstoffs eindeutig zugeordnet werden. Das Verfahren wurde zum Patent angemeldet. Die neue Technologie könnte zukünftig eine Plattform für nachhaltige Düngemittelproduktion auf Basis erneuerbarer Energiequellen bilden.

Noch am Anfang – aber mit viel Potenzial

Allerdings liegt die Ausbeute in der aktuellen Laborversion noch weit unter industriellen Anforderungen – etwa das 1000-Fache wäre nötig, um konkurrenzfähig zu sein. Doch das Grundprinzip funktioniert, wie die Studie zeigt. In Zukunft könnten höhere Stickstoffdrücke, verbesserte Reaktorgeometrien oder der Einsatz anderer Metalle (zum Beispiel Magnesium oder Calcium) die Effizienz deutlich steigern. „Wir befinden uns noch in der Anfangsphase“, betont Kornienko. „Aber die Möglichkeit, Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen und gezielt auf Stickstoff zu übertragen, ist ein bedeutender Schritt hin zu einer klimafreundlichen Ammoniakproduktion.“

Quelle: pflanzenforschung.de