Stanford-Forscher finden einen neuen Weg, Ammoniak herzustellen, das kein CO2 ausstößt

In einem Projekt des Stanford Zarelab entdeckten die Wissenschaftler Richard Zare, Xiaowei Song und Chanbasha Basheer einen neuen, umweltfreundlichen chemischen Prozess, der ihrer Meinung nach die Art und Weise, wie wir Ammoniak herstellen, die Grundlage des weltweit am häufigsten verwendeten Düngemittels, verändern könnte. Im Jahr 2022 betrug die weltweite Produktion von Ammoniak rund 150 Millionen Tonnen.

Ammoniak (NH3), eine anorganische Verbindung aus Stickstoff und Wasserstoff, dient als Baustein zur Herstellung chemischer Düngemittel für landwirtschaftliche Nutzpflanzen. Rund 70 % des Ammoniaks werden als Düngemittel zur Förderung des Pflanzenwachstums verwendet, während die restlichen 30 % hauptsächlich für Kunststoffe, Sprengstoffe und Kunstfasern verwendet werden.

Seit über 100 Jahren wird Ammoniak mit dem Haber-Bosch-Verfahren erzeugt, das Stickstoff in Ammoniak für Düngemittel umwandelt. Laut Richard Zare, dem Leiter des Zarelab und Marguerite Blake Wilbur-Professor für Naturwissenschaften an der Stanford, verbraucht der Prozess rund 2 % der weltweiten Energie und trägt jedes Jahr zu 1,3 % der weltweiten Kohlendioxidemissionen bei.

„Es ist allgemein anerkannt, dass das Haber-Bosch-Verfahren eines der wichtigsten industriellen Verfahren in der Chemie ist. Es ist schließlich das, was die Menschen nutzen, um die Welt zu ernähren“, sagte Zare. „Ende des 18. Jahrhunderts dachten die Menschen, dass wir letztendlich alle verhungern würden, weil die Bevölkerung schneller wuchs, als wir Pflanzen zum Essen produzieren konnten. Was uns rettete, war eine erstaunliche Entwicklung von Fritz Haber, der lernte, wie man Stickstoff nutzt und umwandelt.“ in Ammoniak umwandeln.

Laut Zare ist dieser Prozess energieintensiv, da das Stickstoffmolekül ziemlich inert ist, was bedeutet, dass es nicht leicht mit Wasserstoff unter Bildung des gewünschten Ammoniaks reagiert. Die Wasserstoffatome müssen aus einer Quelle stammen, und das Haber-Bosch-Verfahren nutzt Wasserdampf (H2O), um Erdgas (Methan, CH4) in H2 und CO umzuwandeln und so die Wasserstoffatome zu gewinnen. Durch die Zugabe von mehr Dampf wird das CO dann in Kohlendioxid (CO2) umgewandelt und es entstehen mehr Wasserstoffatome.

Dieser Prozess ist daher ein großer Emittent von Treibhausgasen. Laut Zare stammen schätzungsweise 7 % der weltweiten industriellen CO2-Emissionen aus der Ammoniakproduktion.

In Zare, Song und Basheers neuem Verfahren zur Herstellung von Ammoniak ist die Wasserstoffquelle nicht Methan, sondern Wasser, und daher wird kein Kohlendioxid emittiert. Ihr Prozess erfordert außerdem keine angelegte Spannung, keine Bestrahlung durch eine Lichtquelle und wird bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck durchgeführt.

Ihre Erkenntnisse basieren auf aktuellen Forschungsergebnissen des Zarelab, die die hohe Reaktivität von Wasser-Mikrotröpfchen untersuchen. Wasser in großen Mengen ist in der Regel harmlos und inert, Wassertröpfchen sind jedoch äußerst reaktiv. Laut Song kann man sich diese Mikrotröpfchen als Nebel aus einem Luftbefeuchter vorstellen. „Das sind winzige Grundstücke“, sagte er.

Zare sagte, das Labor habe herausgefunden, dass Mikrotröpfchen Wasser eine starke chemische Reaktion hervorrufen, wenn sie auf harte Oberflächen treffen. Um Ammoniak herzustellen, bricht das Wissenschaftlerteam Stickstoffbindungen auf, indem es Wassermikrotröpfchen, Stickstoffgas und Eisenoxid durch ein gasbetriebenes Sprühgerät bewegt. Der Prozess beruht auf der Fähigkeit von Wasser-Mikrotröpfchen, auf harten Oberflächen zu reagieren.

Das Eisenoxid dient als Katalysator für die Reaktion – es beschleunigt die Reaktion, ohne durch die Reaktion verändert zu werden. Für das Sprühgerät haben die Forscher den Katalysator in ein Graphitnetz gegeben. Anschließend setzt das Sprühgerät Mikrotröpfchen frei, in denen das gepumpte Wasser und der Stickstoff mit Hilfe des Katalysators zu Ammoniak (NH3) reagieren.

Als das Team herausfand, dass es Ammoniak ohne CO2 herstellen konnte, waren sie laut Song aufgeregt, aber vorsichtig.

„Wir mussten quälend darüber nachdenken, ob es unser erwartetes Ergebnis war, und wir brauchten viele Kontrollen“, sagte Song.

„Damit dies eine große Sache wird, muss es ausgeweitet werden und gezeigt werden, dass alle Schritte wirtschaftlich sinnvoll sind“, sagte Zare. „Wir haben das Problem noch nicht gelöst – es handelt sich immer noch um kleine Tröpfchen, von denen wir reden.“

Zare sagte, der nächste Schritt zur Skalierung dieses Projekts sei die Zusammenarbeit mit Ingenieuren. Er sagte, dass die Zeitspanne bis zur Ammoniakproduktion in großem Maßstab weniger als fünf Jahre dauern dürfte, es aber mindestens ein Jahr dauern werde. Er fügte hinzu, dass es fünf Jahre gedauert habe, bis der Haber-Bosch-Prozess abgeschlossen sei.

„Dies ist ein wichtiger Fortschritt, der die Nachhaltigkeit der Ammoniakproduktion erheblich verbessern kann, wenn er in großem Maßstab eingesetzt wird“, sagte Eric McShane, Postdoktorand für Chemieingenieurwesen bei der Cargnello Group in Stanford. „Die Verwendung von Wasser anstelle von Wasserstoff als Rohstoff für die Ammoniakproduktion könnte den Gesamtenergiebedarf für die Ammoniakproduktion senken.“

McShane stimmte den Forschern auch zu, dass „die Herausforderung darin besteht, ihren Prozess zu skalieren und eine ausreichend hohe Ammoniakausbeute sicherzustellen.“

„Wenn es wirklich funktioniert, ist es riesig“, sagte Zare. „Es würde die Kosten für Lebensmittel senken und es würde uns im Hinblick auf den Klimawandel helfen. Es ist enorm, wenn es wirklich möglich ist.“

Anna McNulty '24 ist Klimaautorin bei The Daily. Kontaktieren Sie sie unter news 'at' stanforddaily.com.