Neuer Weg zum grünen Dünger
Palladiummembran ermöglicht Ammoniak-Synthese ganz ohne fossile Rohstoffe
Fritz Haber und Carl Bosch – Wegbereiter der ersten Grünen Revolution. Ihr nach ihnen benanntes Verfahren machte die großtechnische Herstellung von Stickstoffdünger möglich und sicherte die Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung – jedoch um den Preis hoher Energie- und CO₂-Kosten. (Bildquelle: © ZdBdLaLaLa / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)
Die Herstellung von Stickstoffdünger verursacht weltweit erhebliche CO₂-Emissionen. Forschende der Universität Bonn präsentieren nun eine elektrochemische Alternative zum energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren. Mit einer neu entwickelten Membran aus Palladium lassen sich Wasserstoffatome direkt aus Wasser gewinnen und gezielt für die Ammoniakproduktion nutzen. Der Clou: Die Technologie trennt Wasserstoffgewinnung und -nutzung räumlich und chemisch – und wurde bereits zum Patent angemeldet.
Ammoniak (NH₃) ist ein Grundpfeiler der modernen Landwirtschaft – insbesondere zur Herstellung von Stickstoffdünger. Heute wird er fast ausschließlich durch das über 100 Jahre alte Haber-Bosch-Verfahren gewonnen. Dabei reagiert Luftstickstoff (N₂) unter hohem Druck und bei Temperaturen von bis zu 500 °C mit Wasserstoff (H₂). Dieser stammt meist aus fossilem Methangas. Das Verfahren sichert die Welternährung – ist aber ein gigantischer Klimatreiber: Rund zwei Prozent des weltweiten Energieverbrauchs gehen allein auf die Haber-Bosch-Synthese zurück.
Historische Ammoniakanlage: Seit über 100 Jahren liefert das energieintensive Haber-Bosch-Verfahren Stickstoffdünger für die Landwirtschaft – verbunden mit hohen CO₂-Emissionen. Neue elektrochemische Ansätze könnten künftig klimafreundliche Alternativen bieten.
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„Um das Ziel einer nachhaltigen und klimaneutralen Gesellschaft zu erreichen, ist die Suche nach alternativen Ammoniak-Synthese-Prozessen prioritär“, sagt Prof. Nikolay Kornienko vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Bonn. Gemeinsam mit seinem Team entwickelte er eine strombasierte Methode, die ganz ohne fossile Energieträger auskommt – und vollständig mit regenerativem Strom betrieben werden kann.
Lithium als Schlüsselfigur der Reaktion
Im Zentrum steht die sogenannte lithiumvermittelte Stickstoffreduktionsreaktion (Li-mediated nitrogen reduction reaction, kurz LiNRR). Dabei wird an einer Elektrode metallisches Lithium (Li) abgeschieden. Dieses reagiert mit Stickstoffgas zu einer Lithium-Stickstoff-Verbindung (Li₃N), die sich bei Zugabe von Wasserstoff zu Ammoniak umwandeln lässt. Danach kann der Kreislauf erneut beginnen.
Bisher war allerdings unklar, wie sich der nötige Wasserstoff nachhaltig einbringen lässt. Oft dienten Alkohole oder gar das Lösungsmittel selbst als H-Quelle – ein unpraktischer Umweg mit schlechter Energieeffizienz. „Mehrere Moleküle müssen geopfert werden, um ein einziges Ammoniakmolekül zu erzeugen“, erklärt Hauptautor Hossein Bemana. Das Team suchte nach einem direkteren Weg.
Der Durchbruch: Wasserstoff per Palladiummembran
Die Lösung liegt in einem doppelseitigen Reaktordesign mit einer ultradünnen Palladiumfolie. Diese trennt zwei getrennte Flüssigkeitsräume – einen wässrigen, in dem Wasserstoff elektrochemisch aus Wasser freigesetzt wird, und einen organischen, in dem das reaktive Lithium arbeitet. Palladium besitzt eine besondere Eigenschaft: Es kann atomaren Wasserstoff durch seine Gitterstruktur hindurchleiten.
Ein moderner Düngerstreuer verteilt Stickstoff auf dem Feld. Die Landwirtschaft ist auf Stickstoffdünger angewiesen – weltweit werden pro Jahr über 110 Millionen Tonnen davon ausgebracht.
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„Am Ende konnten wir Wasserstoffatome elektrochemisch direkt aus dem Wasser entnehmen und auf das reaktive Lithium/Lithium-Stickstoff-Material übertragen, um Ammoniak herzustellen“, berichtet Kornienko. Der Trick: Die beiden Reaktionen – H₂O-Elektrolyse und NH₃-Synthese – laufen getrennt, aber synchronisiert ab. Die Wasserstoffatome müssen dabei nicht mehr durch die komplexe Festelektrolyt-Grenzschicht (SEI) des LiNRR-Systems diffundieren, sondern können „von hinten“ eingespeist werden.
Nachweis mit Deuterium – und ein Patent
Um sicherzustellen, dass der produzierte Wasserstoff tatsächlich aus dem Wasser stammt, verwendete das Team schweren Wasserstoff (Deuterium, D₂O) in den Experimenten. Ergebnis: Es entstand überwiegend ND₃ statt NH₃ – ein klarer Nachweis, dass der H-Transfer durch die Palladiummembran funktioniert. Auch in Kontrollversuchen mit umgekehrter Isotopenmarkierung konnte der Ursprung des Wasserstoffs eindeutig zugeordnet werden.
Das Verfahren wurde bereits zum Patent angemeldet. Die neue Technologie könnte zukünftig eine Plattform für nachhaltige Düngemittelproduktion auf Basis erneuerbarer Energiequellen bilden.
Noch am Anfang – aber mit viel Potenzial
Zwar liegt die Ausbeute in der aktuellen Laborversion noch weit unter industriellen Anforderungen – etwa das 1000-Fache wäre nötig, um konkurrenzfähig zu sein. Doch das Grundprinzip funktioniert, wie die Studie zeigt. In Zukunft könnten höhere Stickstoffdrücke, verbesserte Reaktorgeometrien oder der Einsatz anderer Metalle (z. B. Magnesium oder Calcium) die Effizienz deutlich steigern.
„Wir befinden uns noch in der Anfangsphase“, betont Kornienko. „Aber die Möglichkeit, Wasserstoff aus Wasser zu gewinnen und gezielt auf Stickstoff zu übertragen, ist ein bedeutender Schritt hin zu einer klimafreundlichen Ammoniakproduktion.“
Quelle:
Bemana, H., Schumann, H., McKee, M. et al. (2025): Accelerating lithium-mediated nitrogen reduction through an integrated palladium membrane hydrogenation reactor. In: Nature Communications 16, 6696. doi: 10.1038/s41467-025-62088-z
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Titelbild: Fritz Haber und Carl Bosch – Wegbereiter der ersten Grünen Revolution. Ihr nach ihnen benanntes Verfahren machte die großtechnische Herstellung von Stickstoffdünger möglich und sicherte die Ernährung einer wachsenden Weltbevölkerung – jedoch um den Preis hoher Energie- und CO₂-Kosten. (Bildquelle: © ZdBdLaLaLa / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0)
