Stickstoffhaltige Düngemittel sind für die moderne Landwirtschaft unverzichtbar, und auch in der Industrie werden Verbindungen wie Ammoniak und Harnstoff in großen Mengen benötigt. Ihre herkömmliche Herstellung und Nutzung bringen jedoch erhebliche Umweltprobleme mit sich: Die industrielle Ammoniakproduktion durch das Haber-Bosch-Verfahren ist extrem energieaufwendig, während übermäßige Düngemittelrückstände Böden und Gewässer belasten. Zudem trägt Distickstoffmonoxid, ein Nebenprodukt der Stickstoffchemie, erheblich zum Klimawandel bei: Sein Treibhauspotenzial ist rund 300-mal höher als das von Kohlendioxid.
„Die gepulste Elektrolyse könnte hier eine nachhaltige Alternative bieten“, sagt Dr. Dandan Gao, Chemikerin an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). „Dieses neuartige Verfahren nutzt überschüssigen Stickstoff aus Luft und Wasser als Ausgangsstoff und ermöglicht so die energieeffiziente Herstellung wertvoller Verbindungen wie Ammoniak und Harnstoff.“ In einem kürzlich in Angewandte Chemie veröffentlichten „Minireview“ fasst Gao mit Kolleginnen und Kollegen von der JGU und dem Harbin Institute of Technology in Shenzhen, China, die neuesten Entwicklungen auf diesem Gebiet zusammen und skizziert wichtige Perspektiven für die zukünftige Forschung. „Indem wir den aktuellen Stand systematisch aufarbeiten und offene Fragen aufzeigen, möchten wir Fortschritte in der nachhaltigen Stickstoffumwandlung beschleunigen“, erklärt Gao. „Langfristig wollen wir dazu beitragen, Stickstoffabfälle aus der Umwelt in nützliche Produkte zu verwandeln.“
Traditionell wird Ammoniak durch das Haber-Bosch-Verfahren hergestellt, einen äußerst energieintensiven Prozess, der hohe Temperaturen (400 bis 500 Grad Celsius) und Drücke erfordert. Im Gegensatz dazu ermöglicht die gepulste Elektrolyse die Bildung von Ammoniak und sogar Harnstoff bei Raumtemperatur mithilfe von Elektrizität, idealerweise aus Sonnen- oder Windenergie. Dabei werden zwei Elektroden in nitrat- oder nitrithaltiges Wasser getaucht. Wird eine elektrische Spannung angelegt, werden diese Stickstoffverbindungen zu Ammoniak reduziert. Im Gegensatz zur herkömmlichen Elektrolyse variiert die gepulste Elektrolyse die Spannung und den Strom, was nicht nur die Reaktionsleistung verbessert, sondern auch auf natürliche Weise mit intermittierenden erneuerbaren Energiequellen harmonieren kann.
Ergebnisse aller verfügbaren Studien verglichen
„Da bislang ein umfassender Überblick über dieses Thema fehlte, haben wir alle verfügbaren Studien zur gepulsten Elektrolyse zusammengetragen und ihre Ergebnisse verglichen“, sagt Gao. „Unser Ziel ist es, das Bewusstsein für dieses umweltrelevante Forschungsfeld zu schärfen und eine solide Grundlage für künftige Arbeiten zu schaffen.“ Langfristig, so Gao, könne die gepulste Elektrolyse dazu beitragen, den Stickstoffkreislauf neu zu gestalten, und die Herstellung von Düngemitteln deutlich sauberer, effizienter und besser mit erneuerbaren Energien vereinbar zu machen.