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News: Die Energiefresser zügeln

Ohne Stickstoffdünger läuft in der modernen Landwirtschaft nichts. Doch die industrielle Produktion von Ammoniak ist extrem energieaufwendig - und damit teuer. Jetzt präsentiert ein Bochumer Chemikerteam einen neuen Katalysator, der die Ammoniakherstellung effizienter machen könnte.
Ammoniak ist von zentraler Bedeutung für die chemische Industrie, ja für die Gesellschaft als Ganzes. Es ist Ausgangsbasis für verschiedenste Produkte, wie Düngemittel, Chemiefasern, Farbstoffe oder auch Pharmaka, um nur einige wenige zu nennen. Allerdings ist die Synthese von Ammoniak aus Luftstickstoff und Wasserstoff sehr energieaufwändig: Alle Ammoniakanlagen zusammen schlucken etwa ein Prozent der Weltenergieproduktion – damit ist die Ammoniakherstellung einer der größten Energieverbraucher der Welt. Entsprechend intensiv wird daran geforscht, das Produktionsverfahren zu verbessern.

Alle heutigen Ammoniakanlagen basieren auf einem von Fritz Haber entwickelten – 1919 mit dem Nobelpreis belohnten – Syntheseverfahren. In der Hand von Carl Bosch lag die Weiterentwicklung zum großtechnischen Prozess, wofür 1931 ein weiterer Nobelpreis fällig war.

Über 1 500 Tonnen flüssiges Ammoniak kann eine große Anlage täglich produzieren. Herzstück des Haber-Bosch-Verfahrens sind die großen, oft über 20 Meter hohen röhrenförmigen Kontaktöfen, in denen Stickstoff und Wasserstoff an etwa 100 Tonnen eines Eisenkatalysators umgesetzt werden. Harsche Bedingungen herrschen in den Röhren: Hohe Drücke im Bereich von 200 bis 500 bar und hohe Temperaturen von 400 bis 600 Grad Celsius sind notwendig, um eine ausreichend hohe Ausbeute an Ammoniak in einer kurzen Zeitspanne zu erzielen. Vor allem die Erzeugung des hohen Drucks frisst hohe Energiemengen. Abhilfe könnte ein leistungsfähigerer Katalysator schaffen, der bei geringerem Druck arbeitet.

Martin Muhler und seine Mitarbeiter von der Ruhr-Universität Bochum setzten auf Ruthenium als Katalysatorkomponente. Sie entwickelten eine neue Präparationsmethode, um das Ruthenium auf einen Träger aus Magnesiumoxid aufzubringen. Seinen besonderen Kick erhält der Katalysator aber erst durch den Zusatz von Bariumverbindungen, die als Aktivatoren wirken. Der neue Katalysator arbeitet wesentlich effektiver als alle bisher beschriebenen Katalysatorsysteme. Im Vergleich zum konventionellen Eisenkatalysator liefert der neue Rutheniumkatalysator deutlich höhere Ausbeuten. Oder anders gesagt: Für die gleiche Ausbeute verlangt das Eisen- einen doppelt so hohen Druck wie das neue Ruthenium-System. "Unser neuer Katalysator wird wohl der Ammoniakkatalysator der nächsten Generation sein," zeigt sich Muhler überzeugt.

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  • Quellen
Angewandte Chemie 113(6): 1093–1096 (2001)

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