News: Mit Ammoniak am Ball bleiben
Seit Jahrzehnten dient das altbewährte Haber-Bosch-Verfahren der Herstellung von Ammoniak. Nicht, dass Chemiker nicht nach Alternativen suchen würden, aber bislang konnte kein anderer Ansatz die erprobte Methode ersetzen. Vielleicht können beschirmte Nanofußbälle in Zukunft ihren Beitrag leisten.
© (Ausschnitt)
Was haben Fußball und Ammoniak gemeinsam? Nicht viel, werden Sie vielleicht meinen, außer dass Ammoniak Ausgangsmaterial für Stickstoffdüngemittel ist, die auch einen stark strapazierter Fußballrasen auf Dauer grün halten können. Und Recht hätten Sie wohl, wenn es da nicht klitzekleine Kohlenstoff-Moleküle gäbe, deren atomare Struktur frappierend an den schwarzweißen Lederball erinnern würde.
Diese so genannten Fullerene, das haben Wissenschaftler um Yoshiaki Nishibaysashi von der Kyoto University herausgefunden, können nämlich der Ammoniak-Produktion äußerst dienlich sein. Dazu werden sie eingepackt in je zwei ringförmige Moleküle gamma-Cyclodextrin, wobei es sich hierbei um ein Oligosaccharid aus sieben ringförmig aneinandergereihten Glucoseeinheiten handelt. Diese Moleküle bilden Strukturen mit definiertem Innendurchmesser, der genau zu den Bällen aus 60 Kohlenstoff-Atomen passt. Man kann sich den fertigen gamma-Cyclodextrin-C60-Komplex wie einen Fußball vorstellen, der oben und unten in je einem Lampenschirm steckt.
Und diese doppelt beschirmten Nanobälle machen sich in Reaktion mit Wasser und Stickstoff sehr gut: Zusammen mit Natriumbisulfit als Reduktionsmittel ließ sich bei Normaldruck und vergleichsweise lauen 60 Grad Celsius binnen einer Stunde unter Lichteinstrahlung eine Ammoniak-Ausbeute von 33 Prozent erzielen – bezogen auf die Menge C60 im Reaktionsgemisch. Mehr Zeit brachte keinen Vorteil, die Ausbeute ließ sich dadurch nicht mehr steigern. Einzig eine Quecksilber-Hochdruck-Lampe konnte noch ein wenig mehr Ammoniak aus dem Gemisch herauskitzeln: 45 Prozent waren mit dem UV-reichen Licht zu erzielen.
Das liegt vermutlich an den starken Absorptionsbanden, die zusammen mit den etwas weniger ausgeprägten Banden im sichtbaren Licht bereits auf einen Landungsträgertransport von den Fulleren-Komplexen zum Stickstoff hindeuteten, so die Forscher. Mit elektrochemischen Methoden konnten die Wissenschaftler tatsächlich nachweisen, dass der molekulare Stickstoff bei der Reduktion all seine Elektronen von den Schirm-tragenden Kugelmolekülen erhält. Aber auch das Natriumbisulfit hat seine Berechtigung. Denn fehlte es, dann war auch kein Ammoniak zu gewinnen. Keine Wunder, vorangehende Arbeiten hatten bereits gezeigt, dass die Natriumverbindung die C60-Fullerene reduzieren kann – und irgendwoher müssen schließlich auch die Fußbälle ihre Elektronen erhalten.
Damit steht Chemikern also ein neuer Weg offen, Ammoniak zu synthetisieren. Inwieweit er sich als praktikabel beziehungsweise effizient für die Gewinnung im großen Maßstab erweist, muss sich indes noch erweisen. Wissenschaftlich interessant ist das Ergebnis ohne Zweifel, denn sowohl das seit 70 Jahren bewährte Haber-Bosch-Verfahren wie auch natürliche Prozesse in Pflanzen setzen auf das große Redoxpotenzial von Metallen, um das reaktionsträge Stickstoff zur Kooperation zu bewegen. Der Ansatz von Nishibaysashi und Co kommt indes ohne Metall aus – hier reichen nicht-metallischer Kohlenstoff und vergleichsweise normale Reaktionsbedingungen.
Diese so genannten Fullerene, das haben Wissenschaftler um Yoshiaki Nishibaysashi von der Kyoto University herausgefunden, können nämlich der Ammoniak-Produktion äußerst dienlich sein. Dazu werden sie eingepackt in je zwei ringförmige Moleküle gamma-Cyclodextrin, wobei es sich hierbei um ein Oligosaccharid aus sieben ringförmig aneinandergereihten Glucoseeinheiten handelt. Diese Moleküle bilden Strukturen mit definiertem Innendurchmesser, der genau zu den Bällen aus 60 Kohlenstoff-Atomen passt. Man kann sich den fertigen gamma-Cyclodextrin-C60-Komplex wie einen Fußball vorstellen, der oben und unten in je einem Lampenschirm steckt.
Und diese doppelt beschirmten Nanobälle machen sich in Reaktion mit Wasser und Stickstoff sehr gut: Zusammen mit Natriumbisulfit als Reduktionsmittel ließ sich bei Normaldruck und vergleichsweise lauen 60 Grad Celsius binnen einer Stunde unter Lichteinstrahlung eine Ammoniak-Ausbeute von 33 Prozent erzielen – bezogen auf die Menge C60 im Reaktionsgemisch. Mehr Zeit brachte keinen Vorteil, die Ausbeute ließ sich dadurch nicht mehr steigern. Einzig eine Quecksilber-Hochdruck-Lampe konnte noch ein wenig mehr Ammoniak aus dem Gemisch herauskitzeln: 45 Prozent waren mit dem UV-reichen Licht zu erzielen.
Das liegt vermutlich an den starken Absorptionsbanden, die zusammen mit den etwas weniger ausgeprägten Banden im sichtbaren Licht bereits auf einen Landungsträgertransport von den Fulleren-Komplexen zum Stickstoff hindeuteten, so die Forscher. Mit elektrochemischen Methoden konnten die Wissenschaftler tatsächlich nachweisen, dass der molekulare Stickstoff bei der Reduktion all seine Elektronen von den Schirm-tragenden Kugelmolekülen erhält. Aber auch das Natriumbisulfit hat seine Berechtigung. Denn fehlte es, dann war auch kein Ammoniak zu gewinnen. Keine Wunder, vorangehende Arbeiten hatten bereits gezeigt, dass die Natriumverbindung die C60-Fullerene reduzieren kann – und irgendwoher müssen schließlich auch die Fußbälle ihre Elektronen erhalten.
Damit steht Chemikern also ein neuer Weg offen, Ammoniak zu synthetisieren. Inwieweit er sich als praktikabel beziehungsweise effizient für die Gewinnung im großen Maßstab erweist, muss sich indes noch erweisen. Wissenschaftlich interessant ist das Ergebnis ohne Zweifel, denn sowohl das seit 70 Jahren bewährte Haber-Bosch-Verfahren wie auch natürliche Prozesse in Pflanzen setzen auf das große Redoxpotenzial von Metallen, um das reaktionsträge Stickstoff zur Kooperation zu bewegen. Der Ansatz von Nishibaysashi und Co kommt indes ohne Metall aus – hier reichen nicht-metallischer Kohlenstoff und vergleichsweise normale Reaktionsbedingungen.
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