Mag. Raffael Rameshan vom Lehrstuhl für Physikalische Chemie der Montanuniversität Leoben konnte gemeinsam mit einem internationalen Forschungsteam eine Verbesserung bei der Ammoniakgewinnung nachweisen. Diese Erkenntnisse wurden kürzlich im renommierten Fachmagazin "Nature" publiziert. Sie können dazu beitragen, den großen CO2-Ausstoß bei der Produktion dieser wichtigen chemischen Verbindung entscheidend zu reduzieren. Ammoniak wird in der Düngermittelproduktion benötigt und ist eine vielversprechende Alternative zu den bisherigen fossilen Energieträgern.

Haber-Bosch-Verfahren

Das Haber-Bosch-Verfahren ist ein großindustrielles chemisches Verfahren zur Synthese von Ammoniak. Es ist nach den deutschen Chemikern Fritz Haber und Carl Bosch benannt, die das Verfahren am Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelten. Der zentrale Schritt des Verfahrens, die Ammoniaksynthese aus atmosphärischem Stickstoff und Wasserstoff, wird an einem eisenhaltigen Katalysator bei Drücken von etwa 150 bis 350 bar und Temperaturen von etwa 400 bis 500 Grad Celsius durchgeführt.

Der größte Teil (rund 80 Prozent) des Ammoniaks wird für die Düngermittelproduktion benötigt, somit sichert es auch die Ernährung der Weltbevölkerung. Außerdem wird ca. 3 Prozent der weltweit produzierten Energie zur Herstellung von Ammoniak benötigt (dementsprechend trägt es wesentlich zum weltweiten CO2-Ausstoß bei). Bereits kleine Verbesserungen des Haber-Bosch Prozesses, insbesondere des verwendeten Katalysators, haben daher einen großen Impact auf CO2-Emissionen und Energieverbrauch.

"Obwohl der Prozess schon über 100 Jahre verwendet wird, wird bis heute immer noch fieberhaft am Katalysator geforscht und der genaue Mechanismus ist immer noch nicht vollständig enträtselt. Wissenschaftler*innen haben sich hier über Jahrzehnte die Zähne ausgebissen. Der Knackpunkt dabei ist, den Stickstoff reaktiv zu machen, um ihn dann mit Wasserstoff zu Ammoniak zu transformieren", erklärt Rameshan die Herausforderung.

Neue Erkenntnisse

Dem internationalen Forschungsteam mit Leobener Beteiligung ist es nun gelungen, am Elektronenbeschleuniger des DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron in Hamburg) einen wichtigen Input zu einem besseren Verständnis des Reaktionsmechanismus beizutragen. Am DESY konnten Katalysatoren bei erhöhtem Druck und Reaktionsbedingungen untersucht werden. Dadurch konnte der experimentelle Nachweis des theoretisch vorausgesagten Reaktionsmechanismus erbracht werden.

"In Zukunft wird die Ammoniak-Synthese noch wichtiger werden, da Ammoniak auch eine vielversprechende Alternative zu den bisherigen fossilen Energieträgern ist", erläutert Rameshan.

Nature

"Nature" ist eine wöchentlich erscheinende, englischsprachige Fachzeitschrift mit Themen aus verschiedenen, vorwiegend naturwissenschaftlichen Disziplinen. Sie ist neben der US-amerikanischen "Science" die weltweit angesehenste Zeitschrift für Naturwissenschaften.

Link zur Veröffentlichung: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06844-5

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Mag. Raffael Rameshan
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