Mit Bor und Bier Stickstoff reduziert

Die industrielle Umwandlung von Stickstoff in Ammonium liefert Dünger für die Landwirtschaft. Würzburger Chemiker haben diese Umwandlung nun bei Raumtemperatur, niedrigem Druck und mit leichten Elementen erreicht.

Die Menschheit ist auf das Ammonium in synthetischem Dünger angewiesen, um ihre Ernährung zu sichern. Doch die Herstellung von Ammonium aus Stickstoff ist äußerst energieintensiv und erfordert den Einsatz von Übergangsmetallen.

Einer Forschungsgruppe der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg ist es nun gelungen, Stickstoff bei Raumtemperatur, niedrigem Druck und ohne Übergangsmetalle in Ammonium umzuwandeln. Das berichtet ein Team unter Leitung des JMU-Wissenschaftlers Professor Holger Braunschweig in der Zeitschrift Nature Chemistry.

Ein neuer Werkzeugkasten für die Stickstoffbindung

Die industrielle Herstellung von Ammonium, das so genannte Haber-Bosch-Verfahren, erfordert hohe Temperaturen und Drücke. Sie verbraucht schätzungsweise etwa zwei Prozent der gesamten auf der Erde erzeugten Energie. Dieser Prozess stützt sich auf Übergangsmetalle, das sind relativ schwere und reaktive Atome.

Im Jahr 2018 gelang dem Team von Professor Braunschweig die Bindung und chemische Umwandlung von Stickstoff mit Hilfe eines Moleküls, das nur aus leichteren, nichtmetallischen Atomen besteht. Ein Jahr später demonstrierte es mit einem ähnlichen System die erste Kombination von zwei Stickstoffmolekülen im Labor. Diese Reaktion war zuvor nur in der oberen Erdatmosphäre und unter Plasmabedingungen beobachtet worden.

Der Schlüssel zu diesen beiden Entdeckungen war die Verwendung von Bor, dem fünftleichtesten Element, als Atom, an das der Stickstoff bindet. „Nach diesen beiden Entdeckungen war klar, dass wir ein ganz besonderes System in den Händen hatten“, sagt Braunschweig.

Einfach Wasser hinzufügen

Obwohl dieses System Stickstoff bindet und umwandelt, fehlte noch die Hälfte der Puzzleteile.

„Wir wussten, dass die vollständige Umwandlung von Stickstoff in Ammonium eine große Herausforderung darstellen würde, da sie eine komplexe Abfolge chemischer Reaktionen erfordert, die oft nicht miteinander kompatibel sind“, erklärt der JMU-Professor.

Der Durchbruch gelang mit einfachsten Reagenzien: Spuren von Wasser, die in einer Probe zurückblieben, reichten aus, um eine Folge von Reaktionen zu fördern, die das Team bis auf einen einzigen Schritt an das Ziel „Ammonium erzeugen“ heranbrachte. Später wurde entdeckt, dass die Schlüsselreaktionen mit einer festen Säure so durchgeführt werden konnten, dass die Reaktionen in einem einzigen Reaktionskolben bei Raumtemperatur nacheinander ablaufen konnten.

Ammonium mit Bier herstellen

Als das Team erkannt hatte, dass die Reaktion selbst mit einfachen Reagenzien wie Wasser zu funktionieren schien, wiederholte es sie mit dem Bier der örtlichen Brauerei Würzburger Hofbräu. Zu ihrer Freude konnten die Chemiker auch damit die Vorstufe von Ammonium erzeugen.

„Dieses Experiment haben wir aus Spaß gemacht. Aber es zeigt, wie tolerant das System gegenüber Wasser und anderen Verbindungen ist“, erklärt Postdoc Dr. Marc-André Légaré, der die Studie initiiert hatte.

„Die Reduktion von Stickstoff zu Ammonium ist eine der wichtigsten chemischen Reaktionen für die Menschheit. Dies ist zweifellos das erste Mal, dass sie mit Bier gemacht wurde, und es ist besonders passend, dass dies in Deutschland passiert ist“, sagt Dr. Rian Dewhurst, Akademischer Oberrat und Koautor der Studie.

Viel Arbeit zu erledigen

Diese Ergebnisse sind zweifellos aufregend, aber noch weit von der Anwendung in der industriellen Produktion von Ammonium entfernt. Es muss noch ein Weg gefunden werden, um den gesamten Prozess energieeffizient und wirtschaftlich zu gestalten.

Trotzdem demonstriert die Entdeckung, dass auch leichtere Elemente selbst die größten Herausforderungen in der Chemie meistern können. „Hier gibt es noch viel zu tun, aber Bor und die anderen leichten Elemente haben uns schon so oft überrascht. Sie sind eindeutig zu so viel mehr fähig“, sagt Holger Braunschweig.

Förderer

Diese Forschungsarbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), der Alexander-von-Humboldt-Stiftung und dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada finanziell unterstützt.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Holger Braunschweig, Institut für Anorganische Chemie und Institut für Nachhaltige Chemie & Katalyse mit Bor, Universität Würzburg, T +49 931 31-85260, h.braunschweig@uni-wuerzburg.de

Originalpublikation:

One-Pot, Room-Temperature Conversion of Dinitrogen to Ammonium at a Main-Group Element. Marc-André Légaré, Guillaume Bélanger-Chabot, Maximilian Rang; Rian D. Dewhurst, Ivo Krummenacher, Rüdiger Bertermann, Holger Braunschweig. Nature Chemistry, 14 September 2020, DOI: 10.1038/s41557-020-0520-6; https://www.nature.com/articles/s41557-020-0520-6.

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