Der Einsatz der Lasertechnologie hat die Methode der Stickstofffixierung revolutioniert und eine neue Möglichkeit zur Synthese von Ammoniak unter Umgebungsbedingungen eröffnet. Kürzlich haben Forscher erstmals einen kommerziellen CO2-Laser eingesetzt, um die Stickstoff-Stickstoff-Dreifachbindung aufzubrechen und so eine neue umweltfreundliche Alternative zum Haber-Bosch-Verfahren bereitzustellen.
Berichten zufolge wandelte das internationale Forscherteam Lithiumoxid mit einem Laser in Lithiummetall um, das dann spontan mit Stickstoff in der Luft zu Lithiumnitrid reagierte. Dieses Salz lässt sich leicht zu Ammoniak hydrolysieren, wodurch mit der Methode Rekordausbeuten erzielt werden können.
Huize Wang, Erstautor vom Helmholtz-Institut für Erneuerbare Energien in Deutschland, sagte: „Wir haben ein bahnbrechendes Konzept eingeführt, das hochenergetische Laser nutzt, um die Umwandlung verschiedener Oxide in Nitride zu erleichtern.“
Er fügte hinzu: „Wir haben bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck beispiellose Erträge erzielt. Dieses Ergebnis ist im Vergleich zu anderen Methoden bemerkenswert.“ Die tatsächliche Ausbeute ist zwei Größenordnungen höher als bei anderen hochmodernen Lösungen, einschließlich elektrochemischer und mechanochemischer Methoden.
„Das ist ein völlig neuer Ansatz zur Herstellung von grünem Ammoniak, der potenziell nachhaltiger ist als das Haber-Bosch-Verfahren“, sagte Victor Mougel, Experte für elektrochemische Umwandlung kleiner Moleküle an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, Schweiz. „Das Das Haber-Bosch-Verfahren ist aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke sehr energieintensiv und führt außerdem zu CO2-Emissionen.“
Darüber hinaus, sagte er, bietet die neue Methode „betriebliche Flexibilität und Vorteile für die Umwelt“, da sie unter Umgebungsbedingungen funktioniert. Das Verfahren kann Ammoniak auch direkt dort produzieren, wo es benötigt wird, was die Transportkosten senkt.
Das Team nutzte einen Infrarotlaser, um genügend Energie bereitzustellen, um die Lithium-Sauerstoff-Bindung aufzulösen und aus Lithiumoxid Lithiummetall herzustellen. Wenn es der Luft ausgesetzt wird, verbindet sich Lithiummetall spontan mit Stickstoff und bricht die dreifache kovalente Stickstoff-Stickstoff-Bindung auf, um Lithiumnitrid zu erzeugen.
Er erklärt weiter: „Als nächstes erhalten wir Ammoniak und Lithiumhydroxid, indem wir das lasererzeugte Lithiumnitrid hydrolysieren. Darüber hinaus bietet diese Methode Möglichkeiten für das chemische Recycling. Der Laser kann die Umwandlung von Lithiumhydroxid zurück in Lithiumnitrid induzieren und so die Umwandlung effektiv beenden.“ Lithiumkreislauf.“
Er fügte hinzu: „Dies wird gleichzeitig zu einem weiteren neuen Konzept – der Umwandlung von Hydroxid in Nitrid.“
Allerdings bleibt Ifan Stephens, Experte für Elektrochemie und Stickstofffixierung am Imperial College London (UK), skeptisch. Er sagt: „Ich bin skeptisch, dass solch hohe Ausbeuten auf lange Sicht nachhaltig sein werden. Darüber hinaus wird die Tatsache, dass es sich um einen Batch-Prozess und nicht um einen kontinuierlichen Prozess handelt, seine Machbarkeit stark einschränken. Die Tatsache, dass elektrochemische Techniken dies ermöglichen.“ Der kontinuierliche Betrieb ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber neueren laserinduzierten Methoden.“
Darüber hinaus könnte der Energiebedarf von Lasern ein Problem für die Ausweitung der Ammoniaksynthese darstellen. Er fügte hinzu: „Wenn man Ammoniak nur in kleinem Maßstab als Düngemittel in abgelegenen Gebieten produziert, verliert die Energieeffizienz an Bedeutung.“
Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Methode erhebliche Vorteile gegenüber der Elektrochemie bietet, etwa Desolvatisierung und Vereinfachung. Darüber hinaus stehen alle neuen Ammoniaksynthesemethoden vor ihren größten Herausforderungen, wenn die Produktion zunimmt. Die Forscher stellen sich vor, den Prozess zu vergrößern, indem sie Lithiumoxidpulver auf einer Gitteroberfläche verteilen und dann die Reihe reaktiver Zellen einzeln mit einem Laser bestrahlen. Darüber hinaus beobachteten die Forscher, dass andere Oxide ein ähnliches Verhalten zeigten, etwa Magnesium, Aluminium, Zink und Kalzium, allerdings in geringeren Ausbeuten.
Er erklärt: „Das liegt möglicherweise daran, dass andere Oxide schwieriger zu dissoziieren und zu hydrolysieren sind.“ Allerdings scheint die Reaktivität von Alkali- und Erdalkalimetallen gegenüber Stickstoff vielversprechend. Er erklärt: „Unsere jüngsten Untersuchungen zeigen, dass häufiger vorkommende Metalle wie Magnesium und Kalzium auch Stickstoff abbauen können.“
