Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eisen-Drilling spaltet Stickstoff

11.11.2011
Ein metallorganisches Molekül mit drei zentralen Eisenatomen erzeugt unter milden Bedingungen Ammoniak

Stickstoff aus der Luft lässt sich jetzt auf sanfte Weise in eine chemisch nutzbare Form verwandeln. Eine neuartige Verbindung mit drei Eisen-Atomen im aktiven Zentrum kann das sehr stabile Stickstoffmolekül aufbrechen und in einer Reaktion mit Wasserstoff Ammoniak erzeugen.

Amerikanische Wissenschaftler der Universität Rochester haben die Substanz synthetisiert, die Forscher des Max-Planck-Instituts für Bioanorganische Chemie in Mülheim an der Ruhr anschließend analysierten. Stickstoff mit molekularen Katalysatoren in Ammoniak umzuwandeln, hilft bei der Suche nach Alternativen zum Haber-Bosch-Verfahren. Mit diesem werden industriell etwa die Ausgangsstoffe von Stickstoffdünger produziert; anders als der molekulare Katalysator mit dem Eisenzentrum arbeitet es jedoch mit hohem Druck und hoher Temperatur.

Die Spaltung von molekularem Stickstoff zum Beispiel durch Bakterien ist eine der fundamentalen chemischen Reaktionen, die Leben auf der Erde erst möglich machen: Die sogenannte Stickstofffixierung liefert einen der Grundbausteine für die Ernährung der Pflanzen, die wiederum Nahrungsgrundlage allen höheren Lebens sind. Und ohne das Haber-Bosch-Verfahren hätte die Bevölkerung der Erde nicht von knapp 1,6 Milliarden Menschen vor hundert Jahren auf die derzeit auf der Erde lebenden sieben Milliarden Menschen wachsen können. Denn erst das technische Verfahren, in dem die extrem stabilen Stickstoff-Moleküle gespalten und Ammoniak synthetisiert wird, ermöglichte die Produktion von Kunstdünger. Auf diese Weise ließen sich die Ernteerträge in den vergangenen 100 Jahren enorm steigern.

Wissenschaftlern um Professor Patrick Holland an der Universität Rochester (USA) ist es nun gelungen, eine Verbindung herzustellen, in der ein Stickstoffmolekül in einen Käfig aus drei Eisenatomen gerät – und dabei aufgespalten wird. Sie konnten sogar mit Hilfe von Röntgenbeugungsaufnahmen die Molekülstruktur der höchst empfindlichen Verbindung aufklären und damit die Stickstoff-Spaltung bildhaft beweisen – dabei aber überraschenderweise auch die Anwesenheit von Kalium-Atomen erkennen. Das komplexe Molekül, das bei nachfolgender Reaktion mit Wasserstoff in der Tat auch Ammoniak erzeugt, stellt offenbar wie auf einer Blitzlichtaufnahme den wichtigsten Schritt der Gesamtreaktion dar, alle Reaktionspartner kommen quasi an einem Ort zusammen – und dabei haben die Forscher sie ertappt.

Wie erfolgt die Stickstoffspaltung?
Eckhard Bill, Forscher am Max-Planck-Institut für Bioanorganische Chemie in Mülheim an der Ruhr hat im Rahmen dieser Forschungsarbeit geklärt, welche Rolle die einzelnen Eisen-Ionen bei der Reaktion spielen. Zu diesem Zweck ging er der Frage nach, wo sich die einzelnen Elektronen des Moleküls befinden, die das Wesen der chemischen Bindungen ausmachen. Um sie zu beantworten, hat er die Elektronenstruktur der Verbindung bei sehr tiefen Temperaturen mit den Techniken der Mössbauer-Spektroskopie und magnetischer Messungen mit einem SQUID Detektor (Superconducting QUantum Interference Device) untersucht. Mit ihrer Hilfe erkannte er die Ladungen der Eisenatome, ermittelte die Verteilung der Valenzelektronen und analysierte mit Hilfe der magnetischen Spins der Eisenatome ihre Wechselwirkung untereinander. Erst so konnten die Forscher nachvollziehen, wie die drei Eisen-Atome, mit tatkräftiger Hilfe eines benachbarten vierten Eisen-Partners, die Stickstoffspaltung bewerkstelligen.

Mit ihrer Arbeit wollen die Wissenschaftler dazu beitragen, die Stickstoffspaltung besser zu verstehen. Sie schaffen damit die Basis, Stickstoff mit geringerem Energieaufwand als im Haber-Bosch-Verfahren zu gewinnen. So könnten sie dieses Verfahren weiter entwickeln, sie könnten die Ammoniaksynthese aber auch stärker am Vorbild der natürlicher Systeme ausrichten.

Das Haber-Bosch-Verfahren, mit dem jährlich rund 100 Millionen Tonnen produziert werden, funktioniert nur unter harschen Bedingungen: Stickstoff wird mit sehr hohem Druck und bei sehr hoher Temperatur an der Oberfläche von speziellen Katalysatoren wie etwa modifizierten Eisenoxid-Flächen gebunden und gespalten. Die freien Atome reagieren mit zugeführtem Wasserstoff zu Ammoniak. Auf der Suche nach einem sanfteren Verfahren müssen Forscher vor allem klären, welche Metalle sich am besten als Katalysatoren eignen, in welchen Schritten der Prozess abläuft, und warum etwa beim Einsatz der preisgünstigen Eisenoxidoberfläche in der technischen Ammoniaksynthese die Zugabe von Kalium-Ionen den Prozess beschleunigt.

Der erste Eisen-Komplex, der Stickstoff spaltet
Diese Fragen können Chemiker und Physiker gezielter beantworten, wenn sie die Bindung und Spaltung von Stickstoff nicht an den schwer charakterisierbaren Oberflächen von Metalloxiden untersuchen, sondern an molekularen Koordinationsverbindungen mit einem oder mehreren zentralen Metallatomen. Dass sich molekularer Stickstoff nun an einem Komplex mit drei zentralen Eisenatomen in Ammoniak verwandeln lässt, war nicht unbedingt zu erwarten. Bislang verlief die Suche nach dafür geeigneten Eisenverbindungen nämlich nicht gerade erfolgreich: An einem Eisen-Atom wird Stickstoff nicht gespalten, und in Komplexen mit einem Stickstoffmolekül als Brücke zwischen zwei Eisen-Atomen wird die enorm starke Dreifachbindung des Moleküls zwar gelockert, aber nicht aufgebrochen.

Dass die Ammoniaksynthese nun mit einem organischen Eisenkomplex gelungen ist, weist einen Weg, um bei der bei der Produktion dieses wichtigen chemischen Ausgangsstoffes Energie zu sparen. Das könnte in Zukunft ebenso wichtig sein wie es vor rund 100 Jahren die Möglichkeit war, mit Kunstdünger die Nahrungsmittelproduktion zu steigern.

Ansprechpartner
Dr. Werner Klotzbücher
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für bioanorganische Chemie, Mülheim an der Ruhr
Telefon: +49 208 306-3687
Fax: +49 208 306-3951
E-Mail: klotzbuecher@mpi-muelheim.mpg.de
Publikationsreferenz
Meghan M. Rodriguez, Eckhard Bill, William W. Brennessel, Patrick L. Holland
N2 Reduction and Hydrogenation to Ammonia by a Molecular Iron-Potassium Complex
Science, 11.November 2011; DOI 10.1126/science.1211906

Dr. Werner Klotzbücher | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de/4645847

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Verbesserte Kohlendioxid-Fixierung dank Mikrokompartiment
25.09.2017 | Max-Planck-Institut für Biochemie

nachricht Regenbogenfarben enthüllen Werdegang von Zellen
25.09.2017 | Technische Universität Dresden

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: LaserTAB: Effizientere und präzisere Kontakte dank Roboter-Kollaboration

Auf der diesjährigen productronica in München stellt das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT das Laser-Based Tape-Automated Bonding, kurz LaserTAB, vor: Die Aachener Experten zeigen, wie sich dank neuer Optik und Roboter-Unterstützung Batteriezellen und Leistungselektronik effizienter und präziser als bisher lasermikroschweißen lassen.

Auf eine geschickte Kombination von Roboter-Einsatz, Laserscanner mit selbstentwickelter neuer Optik und Prozessüberwachung setzt das Fraunhofer ILT aus Aachen.

Im Focus: LaserTAB: More efficient and precise contacts thanks to human-robot collaboration

At the productronica trade fair in Munich this November, the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT will be presenting Laser-Based Tape-Automated Bonding, LaserTAB for short. The experts from Aachen will be demonstrating how new battery cells and power electronics can be micro-welded more efficiently and precisely than ever before thanks to new optics and robot support.

Fraunhofer ILT from Aachen relies on a clever combination of robotics and a laser scanner with new optics as well as process monitoring, which it has developed...

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Legionellen? Nein danke!

25.09.2017 | Veranstaltungen

Posterblitz und neue Planeten

25.09.2017 | Veranstaltungen

Hochschule Karlsruhe richtet internationale Konferenz mit Schwerpunkt Informatik aus

25.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Legionellen? Nein danke!

25.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Hochvolt-Lösungen für die nächste Fahrzeuggeneration!

25.09.2017 | Seminare Workshops

Seminar zum 3D-Drucken am Direct Manufacturing Center am

25.09.2017 | Seminare Workshops