de.wedoany.com-Bericht: Forscher der Technischen Universität Wien (TU Wien) haben gezeigt, wie durch optimiertes Katalysatordesign eine solargetriebene Ammoniaksynthese mit Sonnenlicht, Wasser, Luft und metallorganischen Katalysatoren realisiert werden kann. Die Studie liefert entscheidende Erkenntnisse für die Entwicklung effizienterer und nachhaltigerer Technologien zur Ammoniakproduktion.
Das vor über einem Jahrhundert entwickelte Haber-Bosch-Verfahren wandelt Stickstoff aus der Luft in Ammoniak um, das zum Schlüsselbestandteil der meisten synthetischen Düngemittel wurde. Heute hängt etwa die Hälfte der weltweiten Nahrungsmittelproduktion von ammoniakbasierten Düngemitteln ab, was das Haber-Bosch-Verfahren zu einer der bedeutendsten industriellen Innovationen der Menschheitsgeschichte macht. Allerdings verursacht die für die Ammoniakproduktion benötigte Energie etwa 1,2 % der globalen Treibhausgasemissionen, was Forscher weltweit dazu veranlasst, nach saubereren und nachhaltigeren Produktionsmethoden zu suchen. Wissenschaftler haben mithilfe von metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) als Katalysatoren eine alternative, nachhaltige Route zur Ammoniaksynthese entwickelt. Forscher der TU Wien haben nun nachgewiesen, dass die MOF-Struktur gezielt moduliert werden kann, um ihre katalytischen Eigenschaften anzupassen, was wertvolle Einblicke für das Design effizienterer und nachhaltigerer Ammoniakproduktionstechnologien liefert. Das Projekt ist das Ergebnis einer internationalen Zusammenarbeit: Die entscheidenden Messdaten stammen von der Virginia Tech in den USA, die Computersimulationen wurden vom Technion – Israel Institute of Technology durchgeführt.
Zur Herstellung von Ammoniak (NH₃) muss zunächst der in der Luft als N₂-Molekül vorliegende Stickstoff aktiviert werden, damit er mit Wasserstoff reagieren kann. Es handelt sich um eine der stärksten Bindungen in der Chemie, bei der zwei Stickstoffatome durch eine extrem stabile Dreifachbindung verbunden sind. Im traditionellen Haber-Bosch-Verfahren erfolgt dieser Prozess bei Drücken von über 150 bar und Temperaturen von mindestens 400 °C, was aufgrund der extremen Bedingungen zu einem hohen Energieverbrauch führt. Die Natur bietet einen sanfteren Weg: Bestimmte Bakterien verwenden eisenhaltige Nitrogenasen, um Stickstoffmoleküle unter milden Bedingungen zu binden und umzuwandeln. Ähnliche Effekte lassen sich mit metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) erzielen, porösen Materialien, bei denen Metallionen mit spezifischen organischen Verbindungen zu größeren Strukturen verbunden sind. „Wie die natürlichen Nitrogenasen verwenden auch wir in den MOFs Eisen – ein relativ günstiges und leicht verfügbares Metall“, sagt Dr. Cornelia Baeckmann von der TU Wien. „Die zentrale Frage unserer Forschung war: Wie können die organischen Liganden angepasst werden, damit das Material Ammoniak produziert?“
„Wenn Licht von den MOFs absorbiert wird, entstehen angeregte Zustände, bei denen sich die Ladung umverteilt, insbesondere hin zu den Eisen-Zentren“, erklärt Prof. Dominik Eder von der TU Wien. „Die umgebenden organischen Linker modulieren die Eigenschaften der MOFs und beeinflussen so deren katalytische Leistung.“ Auf diese Weise wirken sich die organischen Linker auf die Kinetik des Elektronentransfers, die Bindungsstärke des Stickstoffs und die Zugänglichkeit der Protonen aus dem umgebenden Wasser zu den aktiven Zentren aus. Sobald ein Stickstoffmolekül an einer geeigneten Eisenstelle anhaftet, wird seine extrem stabile Dreifachbindung geschwächt und reaktiver. Durch aufeinanderfolgende Elektronen- und Protonenübertragungen wird das Molekül dann schrittweise in Ammoniak umgewandelt.
„Wir haben gezeigt, dass kleine Veränderungen an den organischen Liganden die Katalysatoraktivität signifikant verändern können“, sagt Jana Bischoff, Erstautorin der Studie und am Institut für Materialchemie der TU Wien. „Wir haben eine Reihe von MOFs mit verschiedenen organischen Liganden untersucht, um zu verstehen, wie die Aktivität der Ammoniakproduktion gesteuert werden kann.“ Die aktuelle Arbeit ist zwar noch kein Startsignal für die industrielle Ammoniakproduktion, aber ein wichtiger Schritt in diese Richtung. MOFs eröffnen vielversprechende neue Wege für das maßgeschneiderte Katalysatordesign für energieintensive und global bedeutende Prozesse wie die Ammoniaksynthese.
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