Um ihre Äcker zu düngen und den Pflanzen ausreichend Nährstoffe zu geben, nutzen Landwirte weltweit große Mengen stickstoffhaltige Chemikalien. Das darin enthaltene Ammoniak (NH3) wird seit gut 100 Jahren über das Haber-Bosch-Verfahren aus Luft-Stickstoff (N2) und Wasserstoff (H2) hergestellt. Dafür ist allerdings ein eisenhaltiger Katalysator nötig, Methan (CH4) als Wasserstoffquelle, eine Temperatur von mindestens 350 Grad Celsius und ein hoher Druck von mindestens 150 bar. Die Energie für den Prozess stammt meist aus der Erdgasverbrennung. Schon länger suchen Forscher daher nach einer alternativen, weniger energieintensiven und umweltfreundlicheren Herstellungsmethode für Ammoniak.
Chemikalien aus der Luft einfangen
Ein Team um Xiaowei Song von der Stanford University hat nun ein Material entwickelt, mit dem Ammoniak direkt aus Stickstoff und Wasser in der Luft erzeugt werden kann. Dafür verwendeten die Forscher mehrere Chemikalien als Katalysatoren – Eisenoxid, Flour und Schwefel – und testeten diese Substanzen in verschiedenen Mischungen, um die besten Produktionsbedingungen für Ammoniak zu ermitteln. Dabei untersuchten die Chemiker auch, wie sich Wassertropfen in dem Prozess verhalten und wie sich Luftfeuchtigkeit, Wind sowie pH-Wert, Salz- und Säuregehalt der Luft auf den Prozess auswirken. Mit den gewonnenen Erkenntnissen bauten sie ein Netzgewebe aus Kupferoxid (CuO) mit einer Beschichtung aus Magnetit (Fe3O4) und Nafion – einem säure- und fluorhaltigen Polymermaterial mit Sulfogruppen, das mit Teflon verwandt ist – und testeten die Ammoniakproduktion an verschiedenen Standorten unter freiem Himmel.
Die Versuche ergaben: Mit dem tragbaren Netz-Prototyp lassen sich tatsächlich Stickstoff und Wasserstoff aus Wasserdampf in der Luft einfangen und in Ammoniak umwandeln. Durch Kondensation an einer gekühlten Fläche lässt sich dann das flüssige Ammoniak sammeln. Der Prozess läuft bei Umgebungstemperatur und Standarddruck ab, erklärt das Team. Den dafür benötigten Luftstrom treibt entweder allein der Wind an oder ein Ventilator; Strom wird nur für die Kühlung und gegebenenfalls den Ventilator, nicht jedoch für das Netz benötigt. Denn der für die Reaktion nötige Strom am Netz entsteht durch das Zusammenspiel von Wasser und Katalysator.
Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto höher war die Ammoniak-Ausbeute in den Tests. Um die Methode noch effektiver zu gestalten, entwickelten die Forscher daher ein Pump-Spray-System, dass dem Prozess Wasser zufügt, recycelt und wieder in die Luft sprüht. So erzeugt das Netz innerhalb von zwei Stunden genug Ammoniak, um damit Pflanzen in einem Gewächshaus düngen zu können, wie Song und seine Kollegen berichten. Zusammen mit einem zusätzlichen Filter aus einem porösen Gestein könnte die Menge an produziertem Ammoniak weiter erhöht werden und dann auch größere Äcker mit Dünger versorgen, so die Chemiker.
