Photokatalytische Ammoniak-Synthese Mit Sonne und Gold zum Pflanzendünger

Anbieter zum Thema

TU Wien

Shimadzu Deutschland GmbH

JULABO GmbH

SPECTRO Analytical Instruments GmbH

Stickstoffdünger ist unverzichtbar für die moderne Hochleistungs-Landwirtschaft – doch seine Herstellung gehört zu den energieintensivsten Prozessen der Chemie. Ein neuer Photokatalysator verspricht nun eine deutlich bessere Energiebilanz: Er nutzt die Abwärme aus der Reaktion besonders effektiv für die Ammoniaksynthese mit.

Pflanzen in der Landwirtschaft brauchen große Mengen an Stickstoffdünger, der normalerweise auf Ammoniak basiert. Daher ist Ammoniak eines der wichtigsten Chemieprodukte überhaupt. Seine Herstellung ist derzeit allerdings extrem energieaufwändig.

Ein internationales Team der TU Wien und der Suzhou University in China hat nun einen neuen Katalysator entwickelt, der Nitrat aus Abwasser auf deutlich effizientere Weise als bisher in Ammoniak umwandeln kann – angetrieben vom Licht der Sonne und einer elektrischen Spannung von etwa 1,5 Volt. Entscheidend dabei: Nicht nur das absorbierte Sonnenlicht wird verwendet, um die chemische Reaktion anzuregen, auch die Wärme, die dabei entsteht, kann für denselben Prozess genutzt werden. So wirkt das Sonnenlicht gleich doppelt – und die Effizienz wird deutlich erhöht.

Neues Verfahren für Kreislaufwirtschaft

Aus Abfall wird Ackergold: Urin und Asche als Rohstoff für Dünger

Spezialmaterial für energiesparendere Ammoniak-Erzeugung

„Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln, indem man passende Katalysatoren verwendet, ist mittlerweile eine gut entwickelte und weit verbreitete Strategie“, sagt Prof. Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien. „Das Problem dabei ist nur: Meistens geht ein großer Teil der Sonnenenergie sofort in Form von Wärme verloren, und nur ein kleiner Teil der Energie wird tatsächlich für die chemische Reaktion verwendet, die man haben will.“

Um das zu ändern, kombinierte das Team mehrere Effekte auf ungewöhnliche Weise miteinander: In einem neuen Material spielen Licht, Wärme und Elektrizität optimal zusammen. Das Team kombinierte MXene (Aussprache: „Maxeen“), ein spezielles Material, das hauptsächlich aus Kohlenstoff und Titan besteht, mit Nanopartikeln aus Gold. Das MXene besteht aus Lamellen, aus zueinander parallelen atomar dünnen Schichten, die als „Nanoantennen“ fungieren und das Licht einfangen. Die Gold-Nanopartikel sind der Ort, an dem die eigentliche chemische Reaktion stattfindet.

Unterschiedliche Effekte bringen Elektronen zum Gold-Partikel

Die MXene-Lamellen haben spezielle elektronische Eigenschaften: „Wenn Sonnenlicht auf diese Lamellen fällt, dann schwingen die Elektronen im Material kollektiv hin und her, wie eine Schaukel“, erklärt Forschungsleiter Rupprechter. „Diese Schwingungen bezeichnet man als Plasmonen.“ Die Energie dieser Schaukelbewegung muss nun zu den Gold-Nanopartikeln transportiert werden. Das geschieht durch zwei unterschiedliche Effekte:

Erstens können einzelne Elektronen stark beschleunigt werden, die sich dann mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Zweitens kommt auch ein wichtiger Temperatureffekt zum Tragen: „Durch die Plasmonen erwärmt sich das MXene, und wenn sich das Material erwärmt, dann breitet sich die Wärme entlang der Lamellen-Richtung aus“, erklären die an der Studie beteiligten Xingda An und Le He von der Universität Suzhou. Die Gold-Nanopartikel hingegen sind kühler – und aus diesem Temperaturunterschied lässt sich zusätzliche Energie gewinnen. Der so genannte Seebeck-Effekt sorgt dafür, dass die Temperaturdifferenz zwischen MXene und Gold zusätzliche Elektronen in Bewegung versetzt. Dafür braucht man nur eine zusätzliche Spannung in der Größenordnung einer gewöhnlichen AA-Batterie.

Das ist neu: Wärmeenergie spielt normalerweise bei Photokatalysatoren eine eher untergeordnete Rolle. Durch die spezielle Kopplung von MXene und Gold ist in diesem Fall aber Wärmeenergie für 57 Prozent der Reaktivität verantwortlich.

Vielversprechende Tests

Alexander Genest von der TU Wien entwickelte Computersimulationen, mit denen man die Auswirkung dieses Elektronentransports erklären kann: „Direkt an den Gold-Nanopartikeln werden nun Nitrat-Moleküle polarisiert“, sagt er. „Und genau dadurch wird die Produktion von Ammoniak deutlich einfacher. Die Energiemenge, die dafür benötigt wird, sinkt dadurch deutlich ab.“

„Unser MXene-Gold-Katalysator erreichte eine Ammoniak-Produktion von 2,1 Mol pro Gramm Katalysator pro Stunde – das ist ein sehr hoher Wert, der ein großes Potenzial für die industrielle Anwendung verspricht“, führt Forschungsleiter Rupprechter aus.

Originalpublikation: Y Ma et al.: Thermoelectrics-Mediated Photon-Phonon-Electron Coupling Enables Unconventional Thermal Contributions in Plasmonic Catalysis, Advanced Functional Materials, (2026); DOI: 10.1002/adfm.77363