So unverzichtbar Ammoniak in der Lebensmittelproduktion auch ist, sorgt es doch aus den falschen Gründen für Aufsehen. Diese wichtige Chemikalie, die weltweit nach Schwefelsäure an zweiter Stelle der meistproduzierten Stoffe steht, ist für die Herstellung von Düngemitteln, die die Weltbevölkerung ernähren, unverzichtbar. Allerdings verbraucht der Herstellungsprozess bis zu 2% der weltweiten Energie und trägt zu etwa 1,5% der Treibhausgasemissionen bei. Folglich ist die Suche nach nachhaltigen Methoden zur Ammoniakproduktion in vollem Gange.
Das seit über einem Jahrhundert angewandte Haber-Bosch-Verfahren ist maßgeblich für die Ammoniakproduktion verantwortlich. Dieses Verfahren ist in hohem Maße auf fossile Brennstoffe angewiesen, sowohl für die benötigte Wärme als auch für den im Prozess benötigten Wasserstoff. Zwar bietet die Elektrochemie durch die Nutzung von Strom anstelle von Wärme und Druck einen alternativen Weg, doch die Umsetzung in einem größeren, wirtschaftlich tragfähigen Maßstab steht noch aus. Dies könnte sich jedoch aufgrund vielversprechender Forschungsergebnisse am Massachusetts Institute of Technology (MIT) bald ändern.
Ein Forscherteam am MIT will die Ammoniakproduktion grundlegend verändern. Es hat einen prädiktiven Ansatz entwickelt, mit dem sich potenziell vielversprechende Katalysatormaterialien für die elektrochemische Ammoniakproduktion identifizieren lassen. Katalysatoren spielen eine wichtige Rolle bei der Beschleunigung chemischer Reaktionen, wobei ihre Eigenschaften die Effizienz dieser Reaktionen bestimmen.
Die Studie unter der Leitung von Bilge Yildiz, Breen-M.-Kerr-Professorin am MIT, liefert wertvolle Erkenntnisse. Laut Yildiz isoliert ihr Ansatz die physikalischen Eigenschaften, die die katalytische Aktivität bei der Ammoniakproduktion vorantreiben. Diese Ergebnisse, die in der von der Royal Society of Chemistry herausgegebenen Fachzeitschrift „EES Catalysis“ veröffentlicht wurden, könnten die Suche nach Materialien erheblich beschleunigen, mit denen sich das emissionsarme elektrochemische Verfahren ebenso wettbewerbsfähig gestalten lässt wie das Haber-Bosch-Verfahren.
Da die Weltbevölkerung weiter wächst, steigt auch die Nachfrage nach Nahrungsmitteln und damit auch nach Düngemitteln. Das Haber-Bosch-Verfahren, mit dem über 90% des weltweiten Ammoniaks hergestellt wird, steht jedoch aufgrund seines hohen Energieverbrauchs und seines CO₂-Fußabdrucks im Widerspruch zu Nachhaltigkeitszielen und Klimaschutzvorgaben. Hier kommt die elektrochemische Ammoniakproduktion ins Spiel – sie existiert zwar bereits, muss für den Einsatz im industriellen Maßstab jedoch effizienter werden. Diese Verbesserung hängt davon ab, einen metallischen Katalysator zu finden, der den Energiebedarf senkt und die Ammoniakselektivität erhöht.
Auf der Suche nach besseren Katalysatoren haben Forscher Übergangsmetallnitridverbindungen als vielversprechende Kandidaten identifiziert. Diese Verbindungen könnten in Kombination mit Methoden wie der Dichtefunktionaltheorie und maschinellem Lernen verschiedene Aspekte der Reaktion verbessern. Diese Methoden helfen bei der Modellierung von Materialeigenschaften und der Vorhersage von Ergebnissen und beschleunigen so die Suche nach wirksamen Katalysatorlegierungen.
Zwar gibt es noch Hürden zu überwinden – darunter die Stickstoffdissoziation und den Wasserstofftransfer –, doch sind solche theoretischen Erkenntnisse vielversprechend. Sie müssen nun im Labor praktisch getestet werden, wozu der Bau einer funktionsfähigen Reaktionszelle gehört, um die Leistung des Katalysators in Echtzeit zu messen. Das wird nicht von heute auf morgen geschehen, wie Dane Morgan, Professor an der University of Wisconsin, betont. Die Umsetzung dieser theoretischen Erkenntnisse in die Praxis wird Zeit brauchen, aber es ist ein spannender Schritt in Richtung einer umweltfreundlicheren Ammoniakproduktion.
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