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Milde Ammoniaksynthese Wie Haber-Bosch-Verfahren, nur ohne Hitze und H2

Quelle: Pressemitteilung Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh)

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Das Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese gehört zu den großtechnischen Reaktionen der Chemieindustrie mit den meisten Verbesserungen. Es benötigt aber große Mengen an Wasserstoffgas und Energie. Forscher aus Frankreich haben nun eine alternative Synthese vorgestellt, die bei Raumtemperatur gelingt und ohne Wasserstoffgas auskommt.

Forscher suchen neue Wege zur Ammonik-Synthese (Symbolbild).
Forscher suchen neue Wege zur Ammonik-Synthese (Symbolbild).
(Bild: Yabresse - stock.adobe.com)

Ammoniak ist eine Grundchemikalie für die Industrie und Ausgangspunkt für die Produktion von Nitratdünger. Er gilt auch als mögliches Speichermedium für Wasserstoff als Energieträger. Die weltweite Jahresproduktion beläuft sich auf 185 Millionen Tonnen, die hauptsächlich über das Haber-Bosch-Verfahren gewonnen werden. Dies benötigt allerdings nicht nur gewaltige Mengen Wasserstoffgas, sondern auch kostet auch enorm viel Energie, da die katalysierte und hochoptimierte Reaktion bei über 200 bar und über 400 Grad Celsius gefahren wird. Grund für die extremen Reaktionsbedingungen ist der als Edukt eingesetzte Stickstoff.

Grenzenloser Rohstoff, aber auch grenzwertig reaktionsträge

Stickstoff ist zu 77 Prozent in der Luft vorhanden und steht daher theoretisch unendlich für die Ammoniaksynthese zur Verfügung. allerdings reagiert er nur sehr langsam mit anderen Elementen. Im Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese, das vor über 100 Jahren entwickelt wurde, aktivieren Metalle den Stickstoff, der dann unter hohem Druck und bei hohen Temperaturen mit Wasserstoff zu Ammoniak umgesetzt wird.

Als mögliche mildere Alternativen zum Haber-Bosch-Verfahren gelten bislang vor allem mikrobiologische Verfahren der Stickstofffixierung. Allerdings ist eine solche biotechnologische Ammoniakproduktion noch recht ineffizient.

Neuer Reaktionsweg zur Stickstoff-Funktionalisierung

Ein Forschungsteam um Nicolas Mézailles von der Université Paul Sabatier, CNRS in Toulouse (Frankreich), entdeckte nun einen viel milderen Reaktionsweg: reaktive Borverbindungen greifen den ansonsten trägen Stickstoff sehr effizient an. „Wir überlegten, dass sehr energiereiche Radikale einen kinetisch und thermodynamisch günstigen Reaktionsweg zur Stickstoff-Funktionalisierung bieten könnten“, schreiben die Autoren in der Zeitschrift Angewandte Chemie über ihren Ansatz. Weder Metallkatalysatoren noch Wasserstoffgas werden für den neuen Reaktionsweg benötigt.

Ammoniaksynthese bei Raumtemperatur

Reaktive Borradikale (aus Reduktion einer organischen Bor-Halogen-Verbindung, ganz links) reagieren mit Stickstoffmolekülen zu Borylaminen (Mitte) und werden mit wässriger Säure (HCl) bei Raumtemperatur zu Ammoniumchlorid umgesetzt (rechts).
Reaktive Borradikale (aus Reduktion einer organischen Bor-Halogen-Verbindung, ganz links) reagieren mit Stickstoffmolekülen zu Borylaminen (Mitte) und werden mit wässriger Säure (HCl) bei Raumtemperatur zu Ammoniumchlorid umgesetzt (rechts).
(Bild: Wiley-VCH, Angewandte Chemie, https://doi.org/10.1002/ange.202209102)

Theoretische Berechnungen wiesen den Forschern den Weg zu Borradikalen, also Verbindungen mit einem reaktiven Boratom im Zentrum. Diese Borradikale stellten die Wissenschaftler her, indem sie organische Bor-Halogen-Verbindungen mit einem starken Reduktionsmittel versetzten. Die entstandenen Substanzen reagierten bei Raumtemperatur mit molekularem Stickstoff zu Borylaminen. Durch Zugabe von wässriger Säure setzte das Team diese Borylamine zu Ammoniumchlorid um (s. Reaktionsschema).

Mézailles und sein Team beschreiben somit eine Stickstofffixierung in Lösung durch radikalische Verbindungen. Die hergestellten Borradikale lösen effizient die stabile Dreifachbindung von molekularem Stickstoff, wie die Wissenschaftler demonstrierten. Somit kann molekularer Stickstoff in Lösung effizient fixiert werden. Dieser radikalische Ansatz eröffnet weitere Möglichkeiten der Ammoniakproduktion unter milden Bedingungen und ohne Einsatz von fossilen Rohstoffen.

Originalpublikation: Dr. Soukaina Bennaamane, Barbara Rialland, Lhoussain Khrouz, Dr. Marie Fustier-Boutignon, Dr. Christophe Bucher, Dr. Eric Clot, Dr. Nicolas Mézailles, In memory of Pascal Le Floch: Ammonia Synthesis at Room Temperature and Atmospheric Pressure from N2: A Boron-Radical Approach, Angewandte Chemie, First published: 27 October 2022; DOI: 10.1002/ange.202209102

 (clu)

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