Menü ausblenden
Menü ausblenden   Internetchemie   |     About   |   Kontakt   |   Impressum   |   Datenschutz   |   Sitemap
Menü ausblenden   Chemie Index   |   Chemie-Lexikon   |   Chemikalien   |   Elemente
Menü ausblenden   Geräte + Instrumente   |  
Menü ausblenden   Jobbörse, Stellenangebote   |  
Menü ausblenden   Crowdfunding Chemie   |     Text veröffentlichen
Home und Neuigkeiten
Chemie A - Z
Produkte, Geräte für Labor und Industrie
Chemikalien und chemische Verbindungen
Stellenbörse für Chemie-Jobs
Impressum, Kontakt
Crowdfunding Chemie

 

Milde Ammoniaksynthese

Chemiker überwinden wichtige Hürde: Reaktion eines Metallnitrids mit Wasserstoff zu Ammoniak unter sehr milden Reaktionsbedingungen.




Abbildung: Reaktionszyklus der Ammoniaksynthese aus einem Azid und Wasserstoffgas unter milden Bedingungen. [Bildquelle: Universität Frankfurt]
Milde Ammoniaksynthese

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 symbiotisch lebende 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 nach dem Haber-Bosch-Verfahren mehr als ein Prozent des Weltenergieverbrauchs verschlingt.

Auf dem Weg zur Entwicklung leistungsfähiger Katalysatoren zur energieeffizienteren industriellen Stickstofffixierung hat ein Team von Chemikern der Goethe-Universität und der Universität Erlangen nun eine wichtige Hürde genommen.

"Wegen der ausgeprägten Reaktionsträgheit von Luftstickstoff gelingt die Reaktion mit Wasserstoff in der industriellen Ammoniaksynthese derzeit nur unter drastischen Bedingungen - aktuelle Prozesse benötigen Temperaturen von 450 °C und Drücke von 300 bar", erklärt Prof. Max Holthausen vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Goethe-Universität. "Angesichts der milden Bedingungen, unter denen Bodenbakterien diesen Prozess durchführen, stellt die Entwicklung eines chemisch-technischen Analogons seit langer Zeit ein wichtiges Forschungsgebiet für die metallorganische Chemie dar."

Für die synthetische Herstellung von Ammoniak sind zwei gewaltige Hürden zu überwinden: Zunächst muss das N2-Gas aus der Luft durch Spaltung der äußerst starken Dreifachbindung in N2 an einem Metallzentrum chemisch aktiviert werden. Im Anschluss müssen so gebildete, metallgebundene N-Atome ("Nitride") mit Wasserstoff zur Reaktion gebracht werden ("Hydrogenolyse"), so dass Ammoniak gebildet wird. "Dabei tritt ein grundsätzliches Dilemma auf", so Prof. Sven Schneider vom Lehrstuhl für Anorganische und Allgemeine Chemie der Universität Erlangen-Nürnberg: "Gelingt die N2-Spaltung im ersten Schritt, so ist das gebildete Nitrid in der Regel derart stabil, dass es gar nicht erst weiterreagiert." Während der erste Schritt in der Vergangenheit unter milden Bedingungen realisiert werden konnte, waren für den zweiten Reaktionsschritt bislang keine Beispiele bekannt.

In einer kombinierten experimentellen und theoretischen Studie berichtet das Forscherteam nun erstmalig über die Reaktion eines Metallnitrids mit Wasserstoff zu Ammoniak unter sehr milden Reaktionsbedingungen (50 °C, 1 bar H2-Druck). Der Schlüssel zum Erfolg liegt in der Verwendung eines Metallkatalysators mit "kooperativem Pinzettenliganden". Die quantenchemische Analyse des Reaktionsgeschehens 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 stellt diese Arbeit allerdings einen Meilenstein zur Realisierung einer chemisch-technischen Variante der Stickstofffixierung dar und weist neue Wege zur Entwicklung von Katalysatoren für die Herstellung von Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff unter milden Reaktionsbedingungen.

Die Goethe-Universität ist eine forschungsstarke Hochschule in der europäischen Finanzmetropole Frankfurt. 1914 von Frankfurter Bürgern gegründet, ist sie heute eine der zehn drittmittelstärksten und größten Universitäten Deutschlands. Am 1. Januar 2008 gewann sie mit der Rückkehr zu ihren historischen Wurzeln als Stiftungsuniversität ein einzigartiges Maß an Eigenständigkeit. Parallel dazu erhält die Universität auch baulich ein neues Gesicht. Rund um das historische Poelzig-Ensemble im Frankfurter Westend entsteht ein neuer Campus, der ästhetische und funktionale Maßstäbe setzt. Die "Science City" auf dem Riedberg vereint die naturwissenschaftlichen Fachbereiche in unmittelbarer Nachbarschaft zu zwei Max-Planck-Instituten. Mit über 55 Stiftungs- und Stiftungsgastprofessuren nimmt die Goethe-Universität laut Stifterverband eine Führungsrolle ein.


Zusatzinformationen:

Bjorn Askevold, Jorge Torres Nieto, Samat Tussupbayev, Martin Diefenbach, Eberhardt Herdtweck, Max C. Holthausen und Sven Schneider:
Ammonia formation by metal-ligand cooperative hydrogenolysis of a nitrido ligand.
In: Nature Chemistry; online veröffentlicht am 22. Mai 2011, DOI 10.1038/nchem.1051

Quelle: Goethe-Universität, Frankfurt am Main

 


Aktualisiert am 21.06.2011.



© 1996 - 2020 Internetchemie ChemLin






Akzeptieren

Diese Website verwendet Cookies. Durch die Nutzung dieser Webseite erklären Sie sich damit einverstanden, dass Cookies gesetzt werden. Mehr erfahren