Ein Forschungsteam um Dr. Dandan Gao vom Department Chemie der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat eine neue Methode entwickelt, mit der sich Ammoniak und Ameisensäure nachhaltig gewinnen lassen. Ammoniak ist in der modernen Landwirtschaft unverzichtbar und, wie Ameisensäure, ein wichtiger Ausgangsstoff für die Industrie. Herkömmlich wird es mit dem Haber-Bosch-Verfahren produziert, das extrem energieaufwendig ist und erhebliche CO2-Emissionen verursacht.
Es ist auch möglich, Ammoniak per Elektrolyse, also mit Hilfe von elektrischem Strom, zu gewinnen, allerdings handelt es sich dabei noch um ein junges Forschungsfeld. Die Elektrolyse bietet eine nachhaltige Alternative für die Herstellung, weil sie mit Ökostrom betrieben werden kann. „Wir konnten nun drei zentrale Punkte erreichen“, sagt Gao: „Erstens haben wir einen Katalysator aus Kupfer, Nickel und Wolfram entwickelt, der die Ammoniak-Ausbeute bei der Elektrolyse signifikant erhöht. Zweitens konnten wir die Ausbeute ein weiteres Mal steigern, in dem wir gepulste statt statischer Elektrolyse verwenden. Und drittens stellen wir als weiteres Produkt innerhalb des gekoppelten elektrochemischen Prozesses Ameisensäure her.“ Die neue Methode hat das Team um Gao und ihre Mitarbeiter Christean Nickel und David Leander Troglauer in dieser Woche im renommierten Wissenschaftsmagazin Angewandte Chemie veröffentlicht.
Neuartiges Katalysatordesign
Den neuartigen sogenannten Dreikomponenten-Tandem-Elektro-Katalysator haben die Forschenden entwickelt, um die übliche elektrochemische Reduktion von Nitrat zu Ammoniak möglichst effizient ablaufen zu lassen. „Wir haben uns dabei aus den folgenden Gründen für Kupfer, Nickel und Wolfram entschieden“, sagt Gao: „Um Ammoniak aus Nitrat zu gewinnen, muss zunächst der Sauerstoff aus dem Nitrat entfernt werden – katalysiert vom Kupfer. Anschließend muss Wasserstoff erzeugt werden, dabei spielt das Nickel seine Katalysatorfähigkeiten aus. Nun darf der Wasserstoff nicht in die Luft entweichen oder anderweitig reagieren, sondern muss selektiv an den Stickstoff gebunden werden: Das ist die Aufgabe des Wolframs. Verglichen mit Tandemkatalysatoren aus Kupfer und Nickel, die bereits als vielversprechend galten, erzielt unser Katalysator eine um mehr als 50 Prozent höhere Ammoniak-Ausbeute“, sagt Gao.
Gepulste statt statischer Elektrolyse
Die Verwendung der gepulsten statt der statischen Elektrolyse steigert die Ausbeute um weitere 17 Prozent. Der Aufbau ist in beiden Fällen identisch. Der einzige Unterschied besteht in der an die Elektroden angelegten elektrischen Spannung. Bei der statischen Elektrolyse ist sie gleichbleibend, bei der gepulsten Elektrolyse wechselt sie ständig zwischen zwei Spannungswerten hin und her.
Zusätzliche Gewinnung von Ameisensäure
Bei jeder Elektrolyse findet nicht nur eine Reduktions-Reaktion an der Kathode statt, sondern auch eine Oxidations-Reaktion an der Anode. „Normalerweise ist das eine Wasser-Oxidation, bei der Sauerstoff entsteht“, sagt Gao. Doch ist Sauerstoff weder wertvoll noch von der Industrie gefragt. Die Forschenden ersetzen bei der neuen Methode daher die Wasser-Oxidation und oxidieren stattdessen Glycerin, ein Abfallprodukt der Biodiesel-Produktion. So entsteht Ameisensäure, die in der Industrie vielfältig, etwa als Ausgangsstoff für Chemikalien und Arzneimittel, eingesetzt wird. „Auf diese Weise können wir zwei wertvolle Produkte auf einen Schlag gewinnen: Ammoniak von der Kathode und Ameisensäure von der Anode“, sagt Gao. „Die strategische Kopplung der beiden Reaktionen unterstreicht das Potenzial der Methode, wertschöpfende Chemikalien über eine energieeffiziente gekoppelte Elektrolyse nachhaltig zu produzieren.“