Im Frühsommer fahren Landwirtinnen und Landwirte ihre Güllewagen über die Felder. Was sie dabei in den Boden bringen, enthält große Mengen Stickstoffverbindungen. Wo zu viel ausgebracht wird, sickert ein Teil davon als Nitrat ins Grundwasser und belastet Flüsse und Seen. Ein Forschungsteam des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) behandelt dieses unerwünschte Nitrat jetzt als Rohstoff.
Das Team um Marcel Risch vom HZB und Sanjay Mathur von der Universität zu Köln hat einen Katalysator entwickelt, der Nitrat elektrochemisch in Ammoniak umwandelt, das wiederum ein wichtiger Grundstoff für die Chemie- und Düngemittelindustrie sowie ein Transportmolekül für Wasserstoff ist. Für die Herstellung ihres neuen Katalysators nutzen die Forscher einen überraschenden Trick: Sie legen ein Magnetfeld an. Dadurch liefert er laut dem HZB anschließend rund dreimal so viel Ammoniak wie sonst.
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Warum die Ammoniakproduktion zum Klimafaktor wird
Ammoniak (NH₃) ist einer der wichtigsten Grundstoffe der Industrie. Den größten Teil verbraucht die Landwirtschaft: Aus Ammoniak entstehen Stickstoffdünger, ohne die sich die Welternährung in ihrer heutigen Form nicht aufrechterhalten ließe. Hinzu kommt eine zweite, wachsende Rolle – als Träger für Wasserstoff. Weil sich Ammoniak leichter verflüssigen, lagern und transportieren lässt als reiner Wasserstoff, gilt es als aussichtsreicher Kandidat, um grünen Wasserstoff über weite Strecken zu verschiffen und am Ziel wieder freizusetzen. Unterwegs kann er dabei selbst als Schiffstreibstoff dienen.
Doch bis heute wird Ammoniak überwiegend über das mehr als hundert Jahre alte Haber-Bosch-Verfahren produziert, das Stickstoff aus der Luft unter hohem Druck und hoher Temperatur mit Wasserstoff verbindet. Der nötige Wasserstoff stammt überwiegend aus Erdgas.
Der Prozess ist extrem energieintensiv: Laut der Studie entfallen auf Haber-Bosch 1-2 % des weltweiten Energieverbrauchs und knapp 1 % der jährlichen Treibhausgasemissionen. Wer Dünger klimafreundlicher machen oder Ammoniak als sauberen Energieträger nutzen will, braucht also einen Weg, der ohne fossilen Wasserstoff und ohne die hohen Drücke auskommt.
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Nitrat statt Luftstickstoff: Wie der Katalysator arbeitet
Das Team des HZB will genau das tun. Statt Stickstoff aus der Luft zu spalten, wird Ammoniak in ihrem Verfahren elektrochemisch aus Nitrat (NO₃⁻) gewonnen – angetrieben von Strom, idealerweise aus erneuerbaren Quellen, und bei Umgebungsbedingungen. Das hat einen doppelten Reiz:
- Der Rohstoff ist ein Abfall- und Schadstoff, der ohnehin in großen Mengen aus der Intensivlandwirtschaft anfällt und Gewässer belastet.
- Im günstigen Fall reinigt das Verfahren also Wasser und erzeugt zugleich einen Wertstoff.
Die Schwierigkeit liegt in der Auswahl des Katalysators. An seiner Oberfläche konkurriert die gewünschte Umwandlung von Nitrat zu Ammoniak mit unerwünschten Nebenreaktionen – vor allem mit der Bildung von Wasserstoff. Ein guter Katalysator muss diese Konkurrenz unterdrücken und selektiv das Nitrat umsetzen. Als aussichtsreich gelten dünne Schichten aus Spinell-Oxiden, insbesondere Kobalt-Eisen-Oxid (CoFe₂O₄).
Wie ein Magnetfeld die Ausbeute erhöht
Die Entdeckung des Teams betrifft nicht die Zusammensetzung, sondern die Herstellung dieser Schichten:
- Risch, Mathur und Kollegen legten während der Gasphasenabscheidung – dem Aufwachsen der dünnen Schicht – ein äußeres Magnetfeld von bis zu einem Tesla an.
- Das Feld verändert die Oberflächenzustände und die Verteilung der Metall-Ionen im Material.
- Konkret stabilisiert es die katalytisch aktiven Co²⁺-Ionen auf bestimmten Gitterplätzen und senkt so die energetische Hürde für die Nitrat-Reduktion.
Aufnahmen mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigen den sichtbaren Effekt: Je stärker das Feld bei der Synthese, desto rauer und größer die Oberfläche. Die Folge: mehr aktive Plätze stehen für die Reaktion zur Verfügung.
Der bei einem Tesla hergestellte Katalysator schnitt demnach am besten ab: Er lieferte rund dreimal so viel Ammoniak wie eine ohne Magnetfeld hergestellte CoFe₂O₄-Schicht. Dass dabei das Kobalt die entscheidende Rolle spielt, zeigt ein zweiter Vergleich gegen reines Eisenoxid (Fe₃O₄), das ebenfalls unter einem Tesla synthetisiert wurde. Hier lag die Ausbeute des Kobalt-haltigen Katalysators rund 22-mal höher. Begleitende Berechnungen (DFT) stützen die Erklärung, wonach das Kobalt die konkurrierende Wasserstoffbildung unterdrückt und die Nitrat-Umsetzung fördert.
Für die Praxis spannend: Das Magnetfeld wird nur beim Aufwachsen der Schicht benötigt, nicht im späteren Betrieb. Der so präparierte Katalysator behält seine verbesserte Leistung auch in der feldfreien Elektrolyse. „Damit ist während der Elektrolyse kein externes Magnetfeld erforderlich“, betont Risch. Erst dadurch wird der Ansatz für eine mögliche Anwendung interessant. Mathur, der die Materialsynthese verantwortete, hofft, dass die Ergebnisse eine breitere Erforschung magnetfeldgestützter Strategien für die Auslegung von Elektrokatalysatoren anstoßen.
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Wo der Ansatz an Grenzen stößt
So bemerkenswert die Verdreifachung klingt: Sie ist ein relativer Wert. Die dreifache Ausbeute bezieht sich auf den Vergleich mit dem ohne Feld hergestellten Katalysator, gemessen an dünnen Schichten unter Laborbedingungen, keine industrielle Produktionsmenge. Aus der Veröffentlichung lässt sich kein Urteil über absolute Produktionsraten, Stromdichten, die Effizienz über lange Betriebszeiten oder die Haltbarkeit der Schichten ableiten. Offen ist auch, ob sich das magnetfeldgestützte Aufwachsen auf die Flächen und Stückzahlen übertragen lässt, die für einen realen Einsatz nötig wären.
Generell ist die elektrochemische Ammoniakgewinnung aus Nitrat noch weit davon entfernt, mit dem ausgereiften und vergleichsweise günstigen Haber-Bosch-Verfahren im industriellen Maßstab zu konkurrieren. Und die Menge an Abfall-Nitrat ist begrenzt, gemessen am weltweiten Ammoniakbedarf von 170 bis 200 Mio t pro Jahr. Das Team beschreibt seine Arbeit denn auch zurückhaltend als „skalierbare Strategie“, um Elektrokatalysatoren gezielter zu gestalten.
Der eigentliche Fortschritt liegt also in der Erkenntnis, dass sich neben Temperatur und Druck auch ein Magnetfeld als Stellschraube nutzen lässt, um die Oberfläche eines Katalysators auf atomarer Ebene zu formen. Was daraus wird, müssen die nächsten Schritte zeigen.
Hier geht es zur vollständigen Studie in Fachjournal Advanced Functional Materials.
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