Ammoniak und Ameisensäure nachhaltig und effizient produzieren

Ein Forschungsteam um Dr. Dandan Gao vom Department Chemie der Uni Mainz hat eine nachhaltige Methode zur Gewinnung von Ammoniak und Ameisensäure entwickelt. Ammoniak gilt in der Landwirtschaft und Industrie als essenzieller Ausgangsstoff. , Seine herkömmliche Herstellung über das Haber-Bosch-Verfahren ist aber extrem energieintensiv und mit hohen CO2-Emissionen verbunden. Als zukunftsträchtige, ökologische Alternative bietet sich die Elektrolyse mit Ökostrom an, die jedoch noch am Anfang ihrer Erforschung steht.

„Wir konnten nun drei zentrale Punkte erreichen“, sagt Gao: „Erstens haben wir einen Katalysator aus Kupfer, Nickel und Wolfram entwickelt, der die Ammoniak-Ausbeute bei der Elektrolyse signifikant erhöht. Zweitens konnten wir die Ausbeute ein weiteres Mal steigern, in dem wir gepulste statt statischer Elektrolyse verwenden. Und drittens stellen wir als weiteres Produkt innerhalb des gekoppelten elektrochemischen Prozesses Ameisensäure her.“

Neuartiges Katalysatordesign

Um die elektrochemische Reduktion von Nitrat zu Ammoniak so effizient wie möglich zu gestalten, hat das Forschungsteam einen innovativen Dreikomponenten-Tandem-Elektro-Katalysator entwickelt. Dieser nutzt die spezifischen Synergieeffekte der verwendeten Metalle, um den komplexen chemischen Prozess präzise zu steuern.

„Wir haben uns dabei aus den folgenden Gründen für Kupfer, Nickel und Wolfram entschieden“, sagt Gao: „Um Ammoniak aus Nitrat zu gewinnen, muss zunächst der Sauerstoff aus dem Nitrat entfernt werden – katalysiert vom Kupfer. Anschließend muss Wasserstoff erzeugt werden. Dabei spielt das Nickel seine Katalysatorfähigkeiten aus. Nun darf der Wasserstoff nicht in die Luft entweichen oder anderweitig reagieren, sondern muss selektiv an den Stickstoff gebunden werden. Das ist die Aufgabe des Wolframs. Verglichen mit Tandemkatalysatoren aus Kupfer und Nickel, die bereits als vielversprechend galten, erzielt unser Katalysator eine um mehr als 50 Prozent höhere Ammoniak-Ausbeute“, sagt Gao.

Gepulste statt statischer Elektrolyse

Eine weitere Effizienzsteigerung von 17 Prozent lässt sich durch den Einsatz gepulster statt statischer Elektrolyse erzielen. Obwohl der technische Aufbau in beiden Fällen identisch bleibt, liegt der entscheidende Unterschied in der Art der angelegten elektrischen Spannung. Während diese bei der statischen Elektrolyse konstant bleibt, alterniert sie beim gepulsten Verfahren kontinuierlich zwischen zwei verschiedenen Spannungswerten.

Zusätzliche Gewinnung von Ameisensäure

Im Rahmen der Elektrolyse findet neben der Reduktionsreaktion an der Kathode zeitgleich eine Oxidationsreaktion an der Anode statt. Während bei herkömmlichen Verfahren oft wenig gefragter Sauerstoff als Nebenprodukt entsteht, nutzt das Forschungsteam einen innovativen Ansatz. Die Wasser-Oxidation wird durch die Oxidation von Glycerin ersetzt. Das ist ein Abfallprodukt der Biodiesel-Herstellung. Auf diese Weise lässt sich wertvolle Ameisensäure gewinnen, die in der chemischen und pharmazeutischen Industrie breite Anwendung findet.

„Normalerweise ist das eine Wasser-Oxidation, bei der Sauerstoff entsteht“, sagt Gao. „Auf diese Weise können wir zwei wertvolle Produkte auf einen Schlag gewinnen: Ammoniak von der Kathode und Ameisensäure von der Anode“, sagt Gao. „Die strategische Kopplung der beiden Reaktionen unterstreicht das Potenzial der Methode, wertschöpfende Chemikalien über eine energieeffiziente gekoppelte Elektrolyse nachhaltig zu produzieren.“

Quelle

Johannes Gutenberg-Universität Mainz (02/2026)