Dünger aus Luft und Wasser gewinnen

Stickstoffhaltige Düngemittel spielen eine unverzichtbare Rolle in der modernen Landwirtschaft. Auch in der Industrie sind große Mengen an Verbindungen wie Ammoniak und Harnstoff erforderlich. Allerdings sind die herkömmlichen Methoden ihrer Herstellung und Nutzung mit erheblichen Umweltproblemen verbunden. Die industrielle Produktion von Ammoniak erfolgt über das Haber-Bosch-Verfahren, das als extrem energieaufwendig gilt. Parallel dazu führen übermäßige Düngemittelrückstände zu einer starken Belastung von Böden und Gewässern. Ein besonders gravierender Aspekt ist der Beitrag von Distickstoffmonoxid (N2​O), einem Nebenprodukt der Stickstoffchemie, zum Klimawandel: Es besitzt ein rund 300-mal höheres Treibhauspotenzial als Kohlendioxid (CO2​). Vor diesem Hintergrund bietet die gepulste Elektrolyse möglicherweise eine nachhaltige Alternative, wie die Chemikerin Dr. Dandan Gao anmerkt.

„Dieses neuartige Verfahren nutzt überschüssigen Stickstoff aus Luft und Wasser als Ausgangsstoff und ermöglicht so die energieeffiziente Herstellung wertvoller Verbindungen wie Ammoniak und Harnstoff.“ In einem „Minireview“ fasst Gao die neuesten Entwicklungen auf diesem Gebiet zusammen und skizziert wichtige Perspektiven für die zukünftige Forschung. „Indem wir den aktuellen Stand systematisch aufarbeiten und offene Fragen aufzeigen, möchten wir Fortschritte in der nachhaltigen Stickstoffumwandlung beschleunigen“, erklärt Gao. „Langfristig wollen wir dazu beitragen, Stickstoffabfälle aus der Umwelt in nützliche Produkte zu verwandeln.“

Vom Haber-Bosch-Verfahren zur Gepulsten Elektrolyse

Traditionell basiert die Herstellung von Ammoniak auf dem Haber-Bosch-Verfahren, einem äußerst energieintensiven Prozess. Dieses erfordert den Einsatz von hohen Temperaturen (400 bis 500 ∘C) und Drücken. Ein vielversprechender Kontrast dazu ist die Methode der gepulsten Elektrolyse. Diese innovative Technik ermöglicht die Bildung von Ammoniak und sogar von Harnstoff bereits bei Raumtemperatur durch den Einsatz von Elektrizität. Diese wird idealerweise aus Sonnen- oder Windenergie gewonnen. Das Verfahren der gepulsten Elektrolyse ist relativ einfach: Man taucht zwei Elektroden in Wasser, das Nitrat- oder Nitritverbindungen enthält. Wird nun eine elektrische Spannung angelegt, werden diese Stickstoffverbindungen an den Elektroden zu Ammoniak reduziert. Im Unterschied zur herkömmlichen, kontinuierlichen Elektrolyse variiert die gepulste Elektrolyse sowohl die Spannung als auch den Strom über die Zeit. Dies führt nicht nur zu einer verbesserten Reaktionsleistung, sondern passt auch von Natur aus besser zu den intermittierenden erneuerbaren Energiequellen, da sie deren unstete Verfügbarkeit effizient nutzen kann.

Ergebnisse aller verfügbaren Studien verglichen

„Da bislang ein umfassender Überblick über dieses Thema fehlte, haben wir alle verfügbaren Studien zur gepulsten Elektrolyse zusammengetragen und ihre Ergebnisse verglichen“, sagt Gao. „Unser Ziel ist es, das Bewusstsein für dieses umweltrelevante Forschungsfeld zu schärfen und eine solide Grundlage für künftige Arbeiten zu schaffen.“ Langfristig gesehen birgt die gepulste Elektrolyse das Potenzial, den gesamten Stickstoffkreislauf neu zu gestalten. Ziel ist es, die Herstellung von Düngemitteln insgesamt deutlich sauberer, effizienter und wesentlich besser mit erneuerbaren Energien vereinbar zu machen.

Quelle

Johannes Gutenberg-Universität Mainz (10/2025)