Stickstoff in Nadelform

Stickstoff in Nadelform

Neue Methode zur Fixierung von Luftstickstoff

Unsere Luft besteht zu 78 Prozent aus Stickstoff. Trotz dieser Fülle kann man Luftstickstoff nicht so ohne weiteres nutzbar machen. Selbst Pflanzen müssen sich die benötigten Stickstoffverbindungen aus dem Humus holen oder sich auf den Landwirt verlassen, der mit der Güllespritze oder dem Kunstdünger anrückt.

Großtechnisch wird Luftstickstoff heute meist auf Basis des Haber-Bosch-Verfahrens in Form von Ammoniak gebunden. Der Hauptteil des Ammoniaks wird zu Düngemitteln weiterverarbeitet. Den Rest braucht die Chemische
Industrie als Ausgangsbasis für stickstoffhaltige Produkte.

Das Haber-Bosch-Verfahren ist aufwendig, denn es erfordert sehr hohe Drücke und Temperaturen. Unter milden Bedingungen – Raumtemperatur und Normaldruck – läuft dagegen eine neue, ausgesprochen unkonventionelle Methode der Stickstoff-Fixierung ab, die eine japanische Forschergruppe um Katsuyoshi Hoshina entwickelt hat: Auf einer Titanelektrode wird zunächst elektrochemisch
eine Titandioxidschicht erzeugt, darauf wird eine weitere Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Polymer aufgebracht. Die Beschichtungen sind mit
Perchlorat-Ionen dotiert. Dieses Schichtsystem wird einer feuchten Stickstoffatmosphäre ausgesetzt und mit Weißlicht bestrahlt. Die frappierende Beobachtung: Abhängig von der Belichtungsstärke wachsen nach einigen Tagen bis Wochen Kristallnadeln aus der Polymermatrix heraus. Die Nadeln wurden als Ammoniumperchlorat identifiziert, einer Stickstoffverbindung, die bereits als Raketentreibstoff bekannt ist.

„Der Mechanismus der Nadelbildung und der Stickstoff-Fixierung ist noch nicht im Detail aufgeklärt,“ erläutert Hoshino. Soviel scheint allerdings klar: Das Licht erzeugt Ladungen an der Schichtgrenze zwischen Titandioxid und Polymer, die die Reaktion von Stickstoff mit adsorbiertem Wasser zu Ammoniak und Sauerstoff ermöglichen. Parallel entstehen freie Wasserstoff-Ionen, die sich mit Perchlorat-Ionen aus der Polymermatrix zu Perchlorsäure verbinden. In einer Säure-Base-Reaktion bildet sich aus Perchlorsäure und Ammoniak ein Salz: die beobachteten Ammoniumperchlorat-Nadeln.

„Das gängige Verfahren der Fixierung von Stickstoff erfordert harsche Bedingungen. Unsere milde Methode könnte sich daher zu einer interessanten Alternative entwickeln,“ zeigt sich Hoshino optimistisch.

Kontakt:

Prof. Dr.K. Hoshino
Faculty of Engineering
Chiba University
1-33 Yayoi, Inage,
Chiba 263-8522
Japan

Fax: (+81) 43-290-3490

E-mail: hoshino@image.tp.chiba-u.ac.jp

Quelle: Angewandte Chemie 2000, 112 (14), 2558 – 2561
Hrsg.: Gesellschaft Deutscher Chemiker (GDCh)