Chemiker stellen grünen Ammoniak „natürlicher“ her - mit Wasser und Licht sowie zwei wichtigen Zutaten

Fast 80 Prozent der gesamten Ammoniakproduktion (knapp 200 Millionen Tonnen) werden für Düngemittel verwendet. Seine Herstellung erfolgt in der Regel nach dem Haber-Bosch-Verfahren. Auf die Ammoniakproduktion entfallen etwa 2 % des weltweiten Energieverbrauchs und 2 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen.

Forscher haben ein katalytisches System zur Herstellung von Ammoniak aus den auf der Erde reichlich vorhandenen Molekülen entwickelt, darunter atmosphärischer Stickstoff und Wasser.

Chemiker und Forscher der Universität Tokio, Japan, haben versucht, Ammoniak effizienter zu produzieren. Zum ersten Mal kombinierte die Gruppe einfach atmosphärischen Stickstoff, Wasser und Sonnenlicht. Mit Hilfe von zwei Katalysatoren produzierten sie große Mengen Ammoniak, ohne dabei übermäßig viel Energie zu verbrauchen. Der Prozess ähnelt eher den natürlichen Prozessen in der Natur, die in Pflanzen mit symbiotischen Bakterien ablaufen.

Der Schlüssel liegtin der Kombination zweier Katalysatortypen, die ein großes Potenzial zur Senkung der Energieerzeugungskosten durch eine von Sonnenlicht angetriebene Reaktion bieten.

"Dies ist das erste erfolgreiche Beispiel für die photokatalytische Ammoniakproduktion unter Verwendung von atmosphärischem Distickstoff als Stickstoffquelle und Wasser als Protonenquelle, bei der auch Energie aus sichtbarem Licht und zwei Arten von molekularen Katalysatoren zum Einsatz kommen", erläuterte Mitautor Dr. Nishibayashi.

"Wir verwendeten einen Iridium-Photokatalysator und eine andere Chemikalie, ein tertiäres Phosphin, das die photochemische Aktivierung von Wassermolekülen ermöglicht. Die Reaktionseffizienz war höher als erwartet, verglichen mit früheren Berichten über die photokatalytische Ammoniakbildung durch sichtbares Licht.

Mit Katalysatoren die Chemie kontrollieren

Chemische Reaktionen verlaufen nicht immer so schnell wie gewünscht oder mit dem gewünschten Ergebnis. Die Kontrolle des Ergebnisses hängt von Effizienz und Timing ab, und Katalysatoren können dabei helfen.

Das Übergangsmetall Molybdän wurde für die Aktivierung von Distickstoff und das Metall Iridium für die lichtgesteuerte Aktivierung von Wasser mit tertiären Phosphinen verwendet, um Protonen aus den Wassermolekülen herauszulösen.

"Wenn der Iridium-Photokatalysator Sonnenlicht absorbiert, kann sein angeregter Zustand die tertiären Phosphine oxidieren. Die oxidierten tertiären Phosphine aktivieren dann Wassermoleküle durch Bildung einer chemischen Bindung zwischen dem Phosphoratom des Phosphins und dem Wasser, wobei Protonen entstehen", so Nishibayashi.

"Der Molybdän-Katalysator ermöglicht es dann dem Stickstoff, sich mit diesen Protonen zu verbinden und Ammoniak zu bilden. Die Verwendung von Wasser zur Erzeugung von Dihydrogen oder Wasserstoffatomen ist einer der wichtigsten Prozesse für eine umweltfreundliche Ammoniakproduktion."

Dieses Experiment in kleinem Maßstab könnte als nächstesin viel größerem Maßstab wiederholt werden, wobei versucht werden könnte, die Sicherheit und Effektivität des Prozesses noch weiterzu verbessern . Beispielsweise könnte der Prozess durch Solarenergie angeregt werden oder recycelte Phosphinoxide könnten nützliche Komponenten sein.

Ist einfacher besser, wie in der Natur?

Ammoniak wird in der Natur wie in Pflanzen bei der Stickstofffixierung in Verbindung mit der Photosynthese gebildet. Die Elektronen dieser Reaktion werden durch das Licht und die Protonen durch das Wasser geliefert, wodurch die Natur in gewisser Weise nachgeahmt wird (fast wie bei der Biomimikry).

Die Einfachheit der Verwendung von Wasser und die Einbeziehung eines natürlicheren Prozesses könnten zu saubereren Ergebnissen bei der Ammoniakproduktion führen, die derzeit als sauberer Brennstoff nur begrenzt möglich ist.

Quellenhinweis:

Yasuomi Yamazaki, Yoshiki Endo, Yoshiaki Nishibayashi, Catalytic ammonia formation from dinitrogen, water, and visible light energy, Nature Communications. 2025.