Ein neuer Pfad zu grünem Ammoniak

Das Haber-Bosch-Verfahren ist eine lebenswichtige chemische Technologie, die Ammoniak aus dem Stickstoff der Luft erzeugt. Als fundamentale Basis für die Düngemittelproduktion und die globale Landwirtschaft ist diese Synthese unverzichtbar, um heute acht Milliarden Menschen zu ernähren. Allerdings weist das Verfahren durch seinen enormen Energiebedarf einen gravierenden Nachteil auf. Da die Ammoniak-Produktion für ungefähr 1,2 Prozent der weltweiten Treibhausgas-Emissionen verantwortlich ist, wird intensiv nach nachhaltigeren Lösungen gesucht.

Eine vielversprechende Alternative bieten „Metallorganische Frameworks“ (MOFs) als innovative Katalysatoren. In einem internationalen Forschungsprojekt zeigte die TU Wien, wie sich diese MOF-Strukturen gezielt anpassen lassen, um die Ammoniak-Bildung effizient zu ermöglichen. Die Arbeit basierte auf einer globalen Kooperation. Wichtige Messdaten beigesteuert hat die Virginia Tech (USA), während die präzisen Computersimulationen vom Technion (Israel Institute of Technology) stammten.

Eine der stärksten Bindungen überhaupt

„Wir müssen eine der stärksten Verbindungen aufbrechen, die es in der Chemie überhaupt gibt“, sagt Jana Bischoff. In der Luft liegt Stickstoff als N₂​-Molekül vor, dessen zwei Atome über eine extrem stabile Dreifachbindung verknüpft sind. Für die Erzeugung von Ammoniak (NH₃​) ist es zwingend erforderlich, dieses Molekül aufzubrechen und die einzelnen Stickstoffatome mit Wasserstoff zu verbinden. Das seit über einem Jahrhundert etablierte Haber-Bosch-Verfahren erzwingt diese Spaltung mit massiver Energie. Es arbeitet mit einem gewaltigen Druck von über 150 Bar sowie hohen Temperaturen von mindestens 400 °C, was den enormen Energieaufwand des Prozesses erklärt.

Die Natur schafft es sanfter

Prinzipiell lassen sich Stickstoffmoleküle auch ohne die rohe Gewalt extremer Drücke und Temperaturen trennen, wenn man auf einen klug gewählten Katalysator setzt. Die Natur dient hierfür als Inspiration: Bestimmte Bakterien nutzen Nitrogenase, ein eisenhaltiges Enzym, an dem sich die Stickstoffmoleküle anlagern und gespalten werden. Einen ähnlichen Ansatz bieten poröse Metallorganische Frameworks (MOFs). Bei denen werden Metallionen durch spezifische organische Verbindungen zu größeren Strukturen vernetzt.

„Wie bei der natürlichen Nitrogenase verwenden auch wir bei unseren metallorganischen Frameworks Eisen – ein Metall, das billig und leicht zu bekommen ist“, sagt Dr. Cornelia Baeckmann. „Die entscheidende Frage in unserer Forschung war: Wie passen wir die organischen Liganden an, damit das Material Ammoniak erzeugen kann?“

Die Aktivierung erfolgt über Licht Das erzeugt im MOF einen angeregten Zustand und verschiebt elektrische Ladung gezielt in Richtung der Eisenatome. „Die organischen Linker, die diese Eisen-Atome umgeben, wirken dabei wie chemische Stellschrauben“, erklärt Prof. Dominik Eder: „Sie können Elektronen vom Metall ziehen und so auf subtile Weise das Verhalten des Eisens beeinflussen“.

Diese Linker steuern somit, wie gut der Stickstoff gebunden wird und wie effektiv Protonen aus der wässrigen Umgebung dorthin gelangen. Sobald sich ein Stickstoffmolekül an ein geeignetes Eisenatom anlagert, wird seine extrem stabile Dreifachbindung geschwächt und chemisch angreifbar gemacht. Daraufhin erfolgt die schrittweise Umwandlung mit Elektronen und Protonen zu Ammoniak.

Wichtiger Schritt für neue Technologien

„Winzige Veränderungen bei den organischen Liganden können das Verhalten des Eisens stark verändern“, sagt Jana Bischoff „Wir haben eine ganze Reihe organischer Verbindungen untersucht, um zu verstehen, wie man durch geschickte Auswahl der Verbindungen das Verhalten erreichen kann, das wir uns wünschen.“

Obwohl die vorliegende Arbeit noch kein Startschuss für die industrielle Ammoniak-Produktion ist, markiert sie einen wichtigen Schritt in diese Richtung. Metallorganische Frameworks zeigen neue Wege auf, um maßgeschneiderte Katalysen zu ermöglichen. Dies gilt insbesondere für energetisch anspruchsvolle und weltweit technologisch bedeutsame Verfahren wie die Ammoniak-Synthese.

Quelle

Technische Universität Wien (06/2026)