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Forschung

Katalysator soll Stickstoff aus der Luft nutzen

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Karl Bockholt, agrarheute
am
31.10.2018

Wissenschaftler arbeiten daran, Stickstoff aus der Luft energiesparender nutzbar zu machen. Das System ist an das Enzymgerüst von Knöllchenbakterien angelehnt.

An einer energiesparenden Nutzung des Luftstickstoffs arbeiten derzeit Forscher des Leibniz-Instituts für Katalyse der Universität Rostock. Wie die Hochschule berichtet, wollen sie den Stickstoff unter anderem mit Kohlendioxid nutzbar machen.

Ziel der Gruppe um Dr. Christian Hering-Junghans ist es, auf diese Weise das berühmte, aber hochaufwändige Haber-Bosch-Verfahren zu umgehen.

Phosphorhaltiges System

Ziel ist es, bei milden Temperaturen wichtige Grundchemikalien zu produzieren. Die sind bisher nur über das Haber-Bosch-Verfahren verfügbar. Zum Einsatz kommt ein phosphorhaltiges System. Das ist an das Enzymgerüst der Knöllchenbakterien angelehnt. Es soll als molekulares Gerüst für den Katalysator dienen. 

Im nächsten Schritt wollten die Forscher nun Molybdän, Eisen und Vanadium in das System einbetten. Sie sollen als Katalysator für die Umwandlung des atmosphärischen Stickstoffs genutzt werden.

Nachahltiger als Haber-Bosch

Nach Angaben aus Rostock ist das Haber-Bosch-Verfahren noch heute das bedeutendste chemische Verfahren, um Ammoniak zu synthetisieren. Das sei die Basis der Welternährung. 

Der Großteil der Produktion wird zu Düngemitteln verarbeitet. Ein weiterer Teil dient als Grundstoff etwa für Kunststoffe. Das Verfahren ist aber sehr energieintensiv. Es benötigt Temperaturen bis zu 500 °C und Drücke bis zu 350 bar. 

Weltweit stammen laut Hochschule zwei Prozent des gewerblichen Energiebedarfs aus Haber-Bosch. Dabei entstehen nach Angabe der Uni rund 1,5 t Kohlendioxid pro t Ammoniak. Das neue Verfahren soll dagegen nachhaltiger sein.

Knöllchenbakterien an Leguminosen als Vorbild

Die Anregung für den Katalysator haben die Chemiker aus der Natur: Das Enzym Nitrogenase erlaubt es einigen Arten, etwa Knöllchenbakterien an den Wurzeln von Eiweißpflanzen, atmosphärischen Stickstoff in elementaren in Form von Ammoniak umzuwandeln.

Die natürliche Stickstofffixierung ist weitgehend aufgeklärt. Hering-Junghans: „In der Nitrogenase helfen Molybdän, teils auch Vanadium, und Eisen, also Metalle, die Dreifachbindung des Luftstickstoffs aufzubrechen.“ Und weil das ein „Kraftakt“ sei, ist der Metallkomplex fest eingebettet in ein molekulares Gerüst, von dem es unterstützt wird.

Dem vierköpfigen Forscherteam gelang es im Labor, ein solches Korsett für ihren Katalysator zu entwickeln. Sie nennen es „Ligand“ und nutzten dafür phosphorhaltige Systeme. Sie funktionieren wie das Enzymgerüst der Nitrogenase.

Das Forschungsvorhaben LiDeNiAc (Ligand Design for Nitrogen Activation) wird vom EU-Programm Horizon 2020 mit 168.000 Euro gefördert. Wenn alles klappt, erzeugt künftig ein chemischer Prozess bei milden Temperaturen aus der Luft wichtige Grundchemikalien, die bisher nur über Haber-Bosch verfügbar sind. Das würde Umwelt und Atmosphäre entlasten.

Mit Material von Universität Rostock, LIKAT

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