Jüngste Forschungen aus Mainz zeigen, wie eine neue Methode zur Gewinnung von Ammoniak und Ameisensäure auf nachhaltige Wege einschwenken kann. Unter der Leitung von Dr. Dandan Gao an der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) bietet das Forschungsteam innovative Lösungen an, die die Bedürfnisse der Landwirtschaft und Industrie zugleich bedienen. Ammoniak ist ein unverzichtbarer Rohstoff für die Landwirtschaft, während Ameisensäure in verschiedenen Industrien Anwendung findet. Bisher wird Ammoniak in einer energieintensiven Produktion über das Haber-Bosch-Verfahren gewonnen, das hohe CO2-Emissionen verursacht. Doch das ist bald Geschichte, denn es zeichnet sich eine vielversprechende Alternative ab.
Der Ansatz des Forschungsteams zielt darauf ab, die Elektrolyse mit Ökostrom zu nutzen, um Ammoniak nachhaltig zu produzieren. Ein neu entwickelter Katalysator aus Kupfer, Nickel und Wolfram verbessert die Ausbeute bei der Elektrolyse erheblich. Diese Methode ermöglicht nicht nur eine höhere Effizienz, sondern auch eine gleichzeitige Herstellung von Ameisensäure, indem Glycerin — ein Abfallprodukt der Biodiesel-Produktion — oxidiert wird.
Technologische Innovationen
Die interaktive Technik der gepulsten Elektrolyse, die zwischen zwei Spannungswerten wechselt, steigert die Ammoniak-Produktion um zusätzlich 17 Prozent. Der neue Katalysator ermöglicht bei der elektrochemischen Reduktion von Nitrat zu Ammoniak eine Ausbeute, die über 50 Prozent höher ist als die herkömmlicher Tandemkatalysatoren. Diese Fortschritte wurden kürzlich im renommierten Fachjournal „Angewandte Chemie“ veröffentlicht.
Doch auch andere Institute forschen intensiv an neuen Katalysatorsystemen, um die Effizienz der industriellen Ammoniakproduktion zu steigern. Zum Beispiel arbeitet ein Team am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft an der Rolle von Promotoren, die entscheidend für die Stabilität und Aktivität von Katalysatoren sind. Diese zementartigen Phasen verbessern nicht nur die Katalysatorleistung, sondern tragen auch zur Haltbarkeit des Systems bei. Der historische Hintergrund des Fritz-Haber-Instituts, das 1918 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde, zeigt die lange Tradition erfolgreicher Forschung in diesem Bereich.
Ein notwendiger Wandel
Im Kontext von ca. 180 Millionen Tonnen jährlich hergestelltem Ammoniak wird die Dringlichkeit einer Umstellung auf grüne Produktionssysteme deutlich. Durch den hohen Energiebedarf und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen hat sich ein klarer Handlungsbedarf herauskristallisiert. Laura Torrente Murciano von der Universität Cambridge hebt hervor, dass diese Umstellung eine umfassende Überarbeitung der bestehenden Systeme erfordert. Forscher arbeiten daran, flexible Reaktoren zu entwickeln, die sich an das Angebot erneuerbarer Energiequellen anpassen können.
Im Gesamtbild ist die Elektrokatalyse ein vielversprechender Ansatz für die umweltfreundliche Ammoniakproduktion. Dabei zeigen Fortschritte in der Kontrolle der Reaktionsumgebung, wie viel Potenzial in diesem Bereich steckt: Zum Beispiel könnten, durch lithiumvermittelte Systeme, lokal wirtschaftliche Ammoniakproduktionen realisiert werden, was einen großen Schritt in Richtung nachhaltiger Düngemittelherstellung darstellen würde.
Die Entwicklungen, die in Mainz und an anderen Forschungseinrichtungen vorangetrieben werden, scheinen also nicht nur innovativ, sondern auch dringend notwendig, um die Umweltauswirkungen der Düngemittelproduktion zu verringern und die Zukunft der Landwirtschaft nachhaltig zu gestalten.