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 Polymere aus Bor produzieren
18.01.2018 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

nachricht Modularer Genverstärker fördert Leukämien und steuert Wirksamkeit von Chemotherapie
18.01.2018 | Deutsches Krebsforschungszentrum

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: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Im Focus: Scientists decipher key principle behind reaction of metalloenzymes

So-called pre-distorted states accelerate photochemical reactions too

What enables electrons to be transferred swiftly, for example during photosynthesis? An interdisciplinary team of researchers has worked out the details of how...

Im Focus: Erstmalige präzise Messung der effektiven Ladung eines einzelnen Moleküls

Zum ersten Mal ist es Forschenden gelungen, die effektive elektrische Ladung eines einzelnen Moleküls in Lösung präzise zu messen. Dieser fundamentale Fortschritt einer vom SNF unterstützten Professorin könnte den Weg für die Entwicklung neuartiger medizinischer Diagnosegeräte ebnen.

Die elektrische Ladung ist eine der Kerneigenschaften, mit denen Moleküle miteinander in Wechselwirkung treten. Das Leben selber wäre ohne diese Eigenschaft...

Im Focus: The first precise measurement of a single molecule's effective charge

For the first time, scientists have precisely measured the effective electrical charge of a single molecule in solution. This fundamental insight of an SNSF Professor could also pave the way for future medical diagnostics.

Electrical charge is one of the key properties that allows molecules to interact. Life itself depends on this phenomenon: many biological processes involve...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - März 2018

17.01.2018 | Veranstaltungen

2. Hannoverscher Datenschutztag: Neuer Datenschutz im Mai – Viele Unternehmen nicht vorbereitet!

16.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Polymere aus Bor produzieren

18.01.2018 | Biowissenschaften Chemie

Humane Sachbearbeitung mit Künstlicher Intelligenz

18.01.2018 | Informationstechnologie

Modularer Genverstärker fördert Leukämien und steuert Wirksamkeit von Chemotherapie

18.01.2018 | Biowissenschaften Chemie