Die Fixierung von atmosphärischem Stickstoff zu Ammoniak ($NH_3$) gehört zu den schwierigsten und energieintensivsten Prozessen der Chemie. Industriell erfolgt sie bislang fast ausschließlich über das Haber-Bosch-Verfahren, das hohe Temperaturen und Drücke erfordert und einen erheblichen Anteil der weltweiten Energieproduktion verbraucht.
Einem Forschungsteam gelang nun ein bemerkenswerter Durchbruch: Eisensalze in Kombination mit einem Molybdän-Katalysator treiben die photosynthetische Reduktion von Luftstickstoff zu Ammoniak an — angetrieben durch Licht und mit Wasser ($H_2O$) als terminalem Elektronendonator. Damit wird eine der wichtigsten chemischen Reaktionen der Welt ohne fossile Energieträger möglich.
Wasser wird dabei oxidiert und liefert die Elektronen, während die extrem stabile Dreifachbindung ($N \equiv N$) des Stickstoffs gespalten und zu Ammoniak reduziert wird. Die Bruttoreaktion lässt sich vereinfacht so darstellen:
$$N_2 + 3\,H_2O \rightarrow 2\,NH_3 + \tfrac{3}{2}\,O_2$$Die Metallkombination Eisen/Molybdän ist dabei kein Zufall: Auch das Enzym Nitrogenase, mit dem bestimmte Bakterien Stickstoff bei Umgebungstemperatur fixieren, vereint beide Metalle in ihrem aktiven Zentrum (FeMo-Kofaktor).
Der neue photochemische Ansatz könnte den Weg zu einer nachhaltigen, dezentralen Ammoniaksynthese mit Sonnenlicht ebnen — weg von energiehungrigen Großanlagen hin zu „grünem" Ammoniak als Düngemittel und potenziellem Energieträger der Zukunft. Ob sich das Laborergebnis in einen stabilen Prozess mit praxistauglichen Ausbeuten überführen lässt, müssen weitere Studien zeigen.
Hintergrund: Das Haber-Bosch-Verfahren verbraucht etwa 1–2 % der weltweiten Energieproduktion und setzt dabei jährlich über 400 Millionen Tonnen $CO_2$ frei. Die photokatalytische Stickstofffixierung gilt daher als einer der vielversprechendsten Kandidaten für eine klimafreundliche Ammoniakproduktion.
Entitäten: ammoniak | stoff stickstofffixierung | konzept photokatalyse | methode haber-bosch-verfahren | methode eisensalz | stoff molybdänkatalysator | stoff nitrogenase | stoff photosynthese | konzept
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