Ohne Dünger litte ein Großteil der heute gut sechs Milliarden Menschen an Hunger. Die Produktion dieser Wachstumsförderer beruht dabei wesentlich auf Ammoniak. Diese Stickstoff-Wasserstoffverbindung wird, genauso wie während der vergangenen 50 Jahre, auch heute noch bei hohen Drücken und Temperaturen im Haber-Bosch-Verfahren hergestellt. Amerikanische Forscher fanden nun einen Ansatz für eine günstigere, katalytische Reaktion: Ein Zirkonium-Metallkomplex als Katalysator schwächt die starke Bindung zwischen zwei Stickstoffatomen im molekularen Stickstoff und erlaubt so eine direkte Reaktion mit Wasserstoff. Diesen Vorgang beschreiben die Forscher im Fachblatt “Nature” (Vol. 427, S. 527).
“Molekularer Stickstoff ist wegen der Stärke seiner dreifachen Bindung, der mangelnden Polarität und aufgrund des hohen Ionisationspotenzials relativ unempfindlich”, erklären Jaime A. Pool und seine Kollegen von der Cornell University in Ithaka. Statt klassisch wie beim Haber-Bosch-Verfahren einen Katalysator aus Eisen zu nutzen, untersuchten die Wissenschaftler die Wirkung des Metalls Zirkonium, von dem jedes Atom an zwei fünfgliedrige Kohlenstoff-Ringe gebunden ist. Diese neuen Katalysator-Moleküle nehmen das Stickstoffmolekül quasi in die Zange und schwächen dabei die Bindung zwischen den beiden Atomen. Wird nun Wasserstoff zugeführt, kann sich dieser unter Wärmezufuhr in mehreren Schritten an einzelne Stickstoffatome anlagern und es entsteht schließlich der begehrte Ammoniak.
Um das Haber-Bosch-Verfahren, über das jährlich Millionen Tonnen Ammoniak als Rohstoff für die chemische Industrie gewonnen wird, abzulösen, ist die Zirkonium-Verbindung allerdings zu teuer. Diese neue Reaktion verläuft jedoch bei niedrigeren Temperaturen und Drücken nach einem Prinzip, das nicht mit der klassischen Aufspaltung der Stickstoffmoleküle zu vergleichen ist. Daher halten Experten es für nicht ausgeschlossen, über weitere Experimente einen effektiven Katalysator zu finden, der tatsächlich wirtschaftlich in Konkurrenz zum Haber-Bosch-Verfahren treten könnte. Die Herstellung günstigerer Dünger, Chemikalien oder sogar pharmazeutischer Substanzen wären damit denkbar.
Jan Oliver Löfken
