Stickstofffix

Molekularer Stickstoff (Distickstoff, N=N) macht etwa 78 Prozent der Atmosphäre aus. Es ist die unreaktivste bekannte zweiatomige Spezies. Interessanterweise wird Stickstoff jedoch für alles Leben benötigt; es wird verwendet, um Proteine ​​und DNA zu bauen. Daher muss Distickstoff in ein Molekül umgewandelt werden, das von Pflanzen leicht aufgenommen werden kann. Dieses Molekül ist Ammoniak, NH3.

Vor dem Ersten Weltkrieg wurde das eisenkatalysierte Haber-Bosch-Verfahren zur Ammoniaksynthese bei hohen Temperaturen (350 bis 550 °C) und Drücken (150 bis 350 Atmosphären) aus Distickstoff und Diwasserstoff (H2) entdeckt. Es ist das vielleicht wichtigste industrielle Verfahren, das jemals entwickelt wurde und für einen dramatischen Anstieg der Erdbevölkerung im 20. Jahrhundert verantwortlich ist, da es eine zuverlässige Stickstoffquelle für Düngemittel liefert. Aber weil das Haber-Bosch-Verfahren hohe Temperaturen und Drücke erfordert, verbraucht es enorm viel Energie; Schätzungen gehen davon aus, dass bis zu 1 Prozent des weltweiten Gesamtenergieverbrauchs für diesen Prozess aufgewendet werden.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 2006



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Die Natur baut auch Distickstoff mit Metalloenzymen in Bakterien und Blaualgen ab, jedoch nur bei einer Atmosphäre Druck und milden Temperaturen. Die Metalloenzyme, Nitrogenasen genannt, enthalten Eisen und meist Molybdän. Seit ihrer Entdeckung vor mehr als 40 Jahren spekulieren Chemiker darüber, wie die Reduktion von Distickstoff abläuft und ob eine künstliche Nitrogenase entwickelt werden könnte, die zu einem energieeffizienteren Verfahren als Haber-Bosch führen würde. Vielleicht wurden tausend Mannjahre und Milliarden von Dollar ausgegeben, um die Funktionsweise von Nitrogenasen zu untersuchen und künstliche herzustellen.

2003 zeigte meine Gruppe, dass es möglich ist, Ammoniak katalytisch aus Distickstoff, Protonen und Elektronen herzustellen. Dies geschieht bei a Single Metallzentrum aus Molybdän. In Gegenwart von Protonen und Elektronen in einem nichtwässrigen Medium wird Distickstoff mit einem Elektronenwirkungsgrad von etwa 65 Prozent zu Ammoniak reduziert; die verbleibenden Elektronen werden verwendet, um Wasserstoff herzustellen, der in diesem Zusammenhang ein verschwenderisches und unerwünschtes Produkt ist. Unser Katalysator ist nicht großartig, aber es ist ein Anfang.

Die Natur hat über einen Zeitraum von wenigen Milliarden Jahren eine hochoptimierte Version des Stickstoffreduktionsprozesses entwickelt. Unsere ist eine künstliche Nitrogenase, die kaum katalytisch ist. Wir versuchen, das Hauptproblem oder die Probleme zu identifizieren, die verhindern, dass es richtig funktioniert. Vielleicht können wir dann seine Effizienz verbessern.

Können wir Katalysatoren entwickeln, die so effizient sind wie natürliche Nitrogenasen? Möglicherweise. Wird das Haber-Bosch-Verfahren jemals durch Katalysatoren ersetzt, die nicht bei hohen Drücken und Temperaturen arbeiten? Unbekannt. Nur Zeit, Geld und Einfallsreichtum werden die Antwort zeigen.

Was tun, wenn die Netzneutralität wegfällt?

Richard R. Schrock, Frederick G. Keyes Professor für Chemie am MIT, erhielt 2005 den Nobelpreis für Chemie.

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