Chemiker der Princeton University haben den Schlüssel für die umweltverträgliche Produktion von Ammoniak gefunden, dem Ausgangsmaterial für Ammoniumnitratdünger. Dieses Düngemittel, das im Millionen-Tonnen-Maßstab hergestellt wird, ist unabdingbar für die ausreichende Produktion von Nahrungsmitteln, aufgrund des hohen Energiebedarfs aber auch verantwortlich für 1,4 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen. Das klingt wenig, pro Jahr fallen aber über 500 Mio. Tonnen an.
Die Herstellung von Ammoniak benötigt viel Energie
Seit mehr als 100 Jahren wird Ammoniak mit dem Haber-Bosch-Verfahren hergestellt.
Das neue Verfahren von Princeton-Chemiker Paul Chirik und seinem Team nutzt blaues Licht und einen Katalysator auf Iridium-Basis, um zumindest prinzipiell das gleiche Ziel zu erreichen wie einst die beiden deutschen Chemiker Fritz Haber und Carl Bosch, die eine Temperatur von 400 bis 500 Grad Celsius und einen Druck von 150 bis 300 Bar benötigen. Um diese extremen Bedingungen zu schaffen, wird sehr viel Energie benötigt.
„Unser Durchbruch lieg darin, dass wir Licht nutzen, um Atome miteinander zu verschmelzen, die ohne einen äußeren Reiz nicht miteinander reagieren. Bisher ist dieser Stimulus Energie“, weiß Chirik. Metallkatalysatoren hätten „erstaunliche Dinge“ möglich gemacht. Ammoniak, Polymere und Arzneimittel gehörten dazu. „Künftig können wir mehr damit machen, weil wir erforschen, was geschieht, wenn Katalysatoren Licht absorbieren.“
Beispielhafte Reaktionen
Die Forscher gehen von einem organischen Molekül namens Anthracen und dem Iridium-Katalysator aus. Blaues Licht regt das Iridium energetisch an, sodass es in der Lage ist, die gewünschte Reaktion anzutreiben.
Es entsteht dabei allerdings noch kein Ammoniak. Das Verfahren ist eher ein Beispiel dafür, dass Verbindungen zwischen Atomen, die denen für die Herstellung von Ammoniak (Wasserstoff und Stickstoff) ähneln, mithilfe von Licht möglich sind.
„Wir haben mit unserer lichtbasierten Synthese noch kein Ammoniak hergestellt. Der Weg dahin ist noch weit, doch mit unseren Experimenten haben wir diesen skizziert“, schließt Chirik.