Professor Nikolay Kornienko von der Universität Bonn hat nun eine klimafreundlichere Alternative entdeckt, mit der sich Ammoniak aus regenerativen Energiequellen herstellen lässt.

Vom Methangas zur Sonne: Ein Paradigmenwechsel

Bisher basiert die industrielle Ammoniakproduktion auf der Umsetzung von Stickstoff aus der Luft mit Wasserstoff, der meist aus Methangas gewonnen wird. Das Haber-Bosch-Verfahren benötigt dafür hohe Temperaturen bis zu 500 °C und großen Druck, mit erheblichem CO₂-Ausstoß.

„Das Haber-Bosch-Verfahren ist extrem energieaufwendig. [...] Um das Ziel einer nachhaltigen und klimaneutralen Gesellschaft zu erreichen, ist die Suche nach alternativen Ammoniak-Synthese-Prozessen prioritär“, betont Kornienko.

Lithium als Vermittler – und Wasser als Wasserstoffquelle

Ein vielversprechender Ansatz ist die sogenannte lithiumvermittelte Stickstoffreduktionsreaktion (LiNRR). Hauptautor Hossein Bemana erklärt: „Die Lithium-vermittelte Stickstoffreduktionsreaktion (LiNRR) gilt als der robusteste Weg zur Elektrifizierung der Ammoniak-Synthese.“

Dabei wird elektrochemisch eine Schicht aus metallischem Lithium erzeugt, die mit Stickstoffgas reagiert und eine Lithium-Stickstoff-Verbindung bildet. In Anwesenheit einer Wasserstoffquelle entsteht daraus Ammoniak (NH_₃) – der Kreislauf beginnt von vorn.

Doch es gibt Hürden: Der Prozess ist energieintensiv, benötigt eine sauerstoff- und wasserfreie Umgebung und leidet unter unerwünschten Nebenreaktionen. Eine Herausforderung ist insbesondere die poröse Grenzschicht (SEI), die auf der Lithiumoberfläche wächst und den Reaktanten Stickstoff und Wasserstoff den Zugang erschwert.

Durchbruch mit Palladium-Membran

Die entscheidende Neuerung des Teams: Der Wasserstoff stammt direkt aus Wasser und nicht aus Alkoholen oder Lösungsmitteln, wie bisher üblich. Möglich wird dies durch eine spezielle Palladiumfolie, die gleichzeitig als Elektrode und Membran dient. „Palladium kann als Membran dienen, weil es Wasserstoffatome durchzulässt“, so Kornienko.

Das System trennt eine wasserbasierte Reaktionsumgebung, in der der Wasserstoff erzeugt wird, von der wasserfreien Zone, in der die LiNRR-Reaktion abläuft. Das Ergebnis: Der Wasserstoff wird elektrochemisch direkt aus Wasser gewonnen und in die Stickstoffreaktion eingespeist.

„Am Ende konnten wir Wasserstoffatome elektrochemisch direkt aus dem Wasser entnehmen und auf das reaktive Lithium/Lithium-Stickstoff-Material übertragen, um Ammoniak herzustellen“, erklärt Kornienko.

Nachweis mit Deuterium und ND_₃

Zur Bestätigung des Mechanismus nutzten die Forschenden isotopisch markiertes Wasser: Mit Deuterium anstelle von Wasserstoff entstand ND_₃. Im Gegentest, mit Deuterium nur im LiNRR-System, entstand wieder NH_₃. Der Weg des Wasserstoffs ließ sich so eindeutig nachverfolgen.

Noch am Anfang – aber mit Perspektive

Ein Patent ist bereits angemeldet. Doch bis zur industriellen Umsetzung ist es noch ein weiter Weg. „Wir befinden uns noch in der Anfangsphase“, betont Kornienko. „Generell muss an den Reaktionsgeschwindigkeiten und der Selektivität des Systems - der Steuerung der Elektronen zum gewünschten Ziel - geforscht werden.“

Die derzeitige Ausbeute müsste etwa um den Faktor 1000 gesteigert werden, um wirtschaftlich konkurrenzfähig zu werden. Dennoch zeigt die Arbeit: Klimafreundliche Stickstoffdünger könnten künftig aus Wasser, Luft und Strom aus Wind und Sonne stammen.

Förderung:

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützte das Projekt, ebenso der Open Access Publication Fund der Universität Bonn.

Originalpublikation:
Bemana, H., Schumann, H., McKee, M., Nozinovic, S., Daniels, J., Weisbarth, R., & Kornienko, N. (2025). Accelerating lithium-mediated nitrogen reduction through an integrated palladium membrane hydrogenation reactor. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-025-62088-z

Quelle: Universität Bonn