"Eigentlich möchte ein einzelnes Siliziumatom alle seine vier Außenelektronen loswerden und ist daher in atomarer Form sehr reaktionsfreudig", berichtet Drieß. Dies ist auch der Grund, warum sich jedes Siliziumatom an vier "gleichgesinnte" Siliziumatome bindet und eine Kristallstruktur ausbildet, die mit der des Diamanten identisch ist (Diamant selbst besteht aus Kohlenstoff). Im Siliziumkristall sind die Atome also sehr stark miteinander verbunden – man kann sie daher schwer voneinander trennen, um sie in chemischen Reaktionen einzusetzen. "Will man die Vorteile der Reaktivität des Siliziums nutzen, nämlich dass es reaktionsfreudig ist, dann ist das bisher technologisch sehr aufwendig, man muss sich also neue chemische Tricks einfallen lassen."

Matthias Drieß und sein Team haben eine Methode entwickelt, wie sie Silizium dazu nutzen können, andere, ebenfalls sehr stark untereinander gebundene Elemente zu trennen und neue chemische Reaktionen zu ermöglichen. Dass ihr Verfahren prinzipiell funktioniert, haben sie bereits am Molekül Kohlenmonoxid (CO) gezeigt, das sie mit Hilfe von Siliziumverbindungen nicht nur in Kohlenstoff (C) und Sauerstoff (O) trennen, sondern später auch wieder zusammenfügen konnten. Nun wollen die Forscher und Forscherinnen die Methode auf das reaktionsträge Stickstoffmolekül (N2) – mit einer stabilen Dreifachbindung zwischen den beiden Stickstoffatomen – anwenden. Würde es gelingen, das N2-Molekül bei Raumtemperatur und Atmosphärendruck aufzuspalten, könnte es für die energieeffiziente Synthese zahlreicher Ausgangsstoffe für Produkte der chemischen Industrie direkt genutzt werden.

Zum Verfahren

Eingebracht wird das Silizium in den Prozess über die Verbindung Siliziumtetrachlorid, das üblicherweise in der Halbleiterindustrie benötigt wird. "An die Siliziumatome hängen wir zunächst einen sogenannten organischen Rest, also eine kohlenwasserstoffhaltige Verbindung, und entfernen danach zwei Chloratome, damit jedes Siliziumatom zwei seiner vier Außenelektronen zurückbehält. Die dadurch bedingte hohe Reaktivität des einzelnen Siliziumatoms wird durch den organischen Rest erstmal in Schach gehalten", erklärt Matthias Drieß. Zwei derart präparierte Siliziumatome werden dann an zwei gegenüberliegende Ecken eines starren, größeren organischen Moleküls gehängt, zum Beispiel eines "Xanthens". "Dieses Xanthen wirkt quasi als starre Tasche, in der sich ein N2-Molekül leicht verfangen und festgehalten werden kann.

Der Trick besteht darin, dass die Siliziumatome ihre ungebundenen Elektronen nun auf das N2-Molekül übertragen, wodurch die sehr starke Stickstoff-Stickstoff-Dreifachbindung nach und nach gebrochen werden kann." So jedenfalls ist der Plan. Weil es außer den Vorarbeiten der Arbeitsgruppe von Matthias Drieß noch keine Erfahrungen mit der Methode gibt, könnten jederzeit unvorhergesehene Probleme auftreten. "Bleibt unsere Tasche so lange stabil, dass wir die Bindungen des Stickstoffs aufbrechen können? Das ist nur eine der ungeklärten Fragen, deretwegen unser Projekt eben auch scheitern könnte", erklärt Drieß.

Der mögliche Gewinn wäre aber auch groß: Je nachdem, wie viele der drei Bindungen aufgebrochen werden, könnten auf direktem Weg zum Beispiel Diazene hergestellt werden, die die Grundlage für viele Farbstoffe bilden, oder Hydrazine, die als Treibstoff in der Luft- und Raumfahrt oder stark verdünnt als Korrosionsschutz zum Einsatz kommen. Löst man die Dreifachfachbindung der beiden Stickstoffatome ganz und werden die Stickstoffatome danach mit organischen Resten verknüpft, können sich Derivate des Ammoniaks (NH₃) bilden, die die Grundlage für bestimmte Medikamente und Aminosäuren darstellen.

Potenzial der Methode

Wichtig ist es Matthias Drieß, klarzustellen, dass seine Methode dann keine Konkurrenz zum etablierten Haber-Bosch-Verfahren darstellen würde, bei dem bei hohen Drücken von bis zu 350 bar und Temperaturen bis zu 500 Grad ebenfalls Stickstoffmoleküle gespalten werden und mit Wasserstoff zu Ammoniak reagieren. "Dieses Verfahren ist zwar energieintensiv, aber seit Jahrzehnten etabliert und ausgereift. Es produziert Millionen von Tonnen Ammoniak, der zu großen Teilen in die Produktion von Düngemitteln geht. Unsere Methode könnte dies nicht leisten. Aber wir könnten, wesentlich effizienter als mit Ammoniak als Ausgangssubstanz, verschiedene Feinchemikalien in Kilogramm-Mengen für die chemische Industrie ‚grüner‘ produzieren, die sonst viel aufwendiger hergestellt werden."

Drieß sieht es denn auch als durchaus realistisch an, dass sich nach den fünf Jahren Förderung ein Start-up ausgründet und die Methode zur Produktionsreife bringt. "Noch wichtiger als diese Überführung in die industrielle Anwendung wäre aber, dass wir mit diesem Verfahren ein Tor zu einer neuen Silizium-Chemie aufstoßen würden", erklärt Drieß. Silizium wirkt hier zwar nicht als Katalysator, sondern wird bei den Reaktionen tatsächlich verbraucht, es könnte aber zu großen Teilen recycelt werden.

Quelle: Technische Universität Berlin