Pflanzen mit Strom füttern

Ohne das chemische Element Stickstoff (N) wäre Leben in seiner uns bekannten Form nicht möglich Stickstoff ist beispielsweise ein Bestandteil von Aminosäuren und ist damit für praktisch alle Lebewesen auf unserem Planeten essentiell. In Tieren, und natürlich auch beim Menschen, sind Aminosäuren die Grundbausteine aus denen Muskeln, Haut, und andere Gewebe aufgebaut sind. In Pflanzen ist Stickstoff außerdem ein wichtiger Bestandteil von Chlorophyll, das ihnen die Energiegewinnung mittels Photosynthese ermöglicht. Die Biosynthese von allen biologisch wichtigen stickstoffhaltigen Verbindungen hängt von der Versorgung mit Stickstoffspezies wie Ammoniak (NH 3 ) ab, da weder Pflanzen noch Tiere Stickstoff direkt aus der Luft (N 2 ) aufnehmen können. Manche Pflanzen (z.B. Klee) haben durch Symbiose mit bestimmten Bakterien einen Weg gefunden um N 2 aus der Luft in speziellen Wurzelknöllchen als NH3 zu fixieren und damit bioverfügbar zu machen. Um in der modernen Landwirtschaft eine gezielte Bereitstellung von Stickstoff zu gewährleisten, wurde vor gut 100 Jahren das Haber-Bosch-Verfahren entwickelt, mit dem N2 aus der Luft in NH3 umgewandelt wird. Dieser Prozess war ein entscheidender Faktor um unsere moderne Welt möglich zu machen, denn ohne Stickstoffdünger könnte man heute nur einen Bruchteil der Weltbevölkerung ernähren. Der große Nachteil des Haber-Bosch-Verfahrens ist, dass der benötigte Wasserstoff aus fossilen Quellen gewonnen wird und dass es durch die Reaktionsbedingungen einen enormen Energiebedarf aufweist. Um die industrielle Ammoniakherstellung nachhaltig und CO 2 -neutral zu machen, wird seit Jahren an alternativen Zugängen geforscht, die sich sehr oft am biologischen Vorbild orientiert haben, aber meistens nicht die nötige Effizienz aufweisen konnten. In diesem Projekt soll ein gänzlich anderer Weg beschritten werden. Das Ziel ist es, eine besondere Form von Festoxidelektrolysezellen mit neuartigen Elektrokatalysatoren zu kombinieren, um so Stickstoff aus der Luft mit erneuerbarem Strom als Ammoniak zu fixieren. Die besondere Eigenschaft der genannten Elektrolysezellen besteht darin, durch Anlegen einer elektrischen Spannung an einer der Elektroden lokal extrem hohen Wasserstoffdruck bereit zu stellen. Dieser kann dazu verwendet werden N2 direkt zu hydrieren um NH 3 zu gewinnen. Um hier erfolgreich zu sein, ist die Kombination der Wasserstoffelektrode mit bestimmten Katalysatormaterialien notwendig, die es ermöglichen N2 aus der Luft zu binden und seine sehr stabile chemische Bindung zu spalten. Die besondere Herausforderung dabei entsteht aus den komplexen Wechselwirkungen der einzelnen Materialien, die so aufeinander abgestimmt werden müssen, dass die gewünschte Funktionalität mit ausreichender Effizienz erhalten wird. Gelingt das Unterfangen, wird es in Zukunft möglich sein, grünen Strom mit Luftstickstoff in Pflanzendünger umzuwandeln, der so dezentral auf der ganzen Welt zur nachhaltigen Nahrungsmittelproduktion eingesetzt werden kann.

Stickstoff ist essentiell für das Leben auf der Erde, da er ein zentraler Bestandteil von Aminosäuren, Proteinen und Chlorophyll ist, doch weder Pflanzen noch Tiere können ihn direkt aus der Luft aufnehmen. Lediglich einige Bakterien sind in der Lage Luftstickstoff (N2) in eine bioverfügbare Form umzuwandeln. Das sogenannte Haber-Bosch-Verfahren ermöglicht die großindustrielle Umwandlung von N2 in Ammoniak (NH3), welcher ein wesentlicher Bestandteil von Stickstoffdünger ist. Damit sichert dieses Verfahren die Ernährung der Weltbevölkerung, hat aber erhebliche ökologische Nachteile. Im abgeschlossenen Projekt wurde eine nachhaltige Alternative zur Ammoniakproduktion erforscht. Ziel war die Entwicklung einer Methode, die Stickstoff mittels erneuerbaren Stroms und Wasser elektrochemisch in Ammoniak umwandelt. Dies sollte durch den Einsatz protonenleitender Festoxidelektrolysezellen (eine spezielle Art von Elektrolysezellen) mit neuartigen Elektrokatalysatoren erreicht werden. Diese Zellen erzeugen durch Anlegen elektrischer Spannung lokal extrem hohen Wasserstoffdruck, der zur direkten Hydrierung von N2 zu NH3 genutzt werden kann. Das Projekt umfasste drei Hauptaspekte: 1.Synthese geeigneter Elektrodenmaterialien: Diese mussten unter reduzierenden Bedingungen stabil sein und Protonen sowie Elektronen leiten. Hier wurde ein geeignetes Material entwickelt, wobei die Quantifizierung des Wasserstoffgehalts im Material eine unerwartet große Herausforderung darstellte Um diese zu meistern, wurde Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) als Messmethode herangezogen und für die Anforderungen des Projekts optimiert. Dafür wurde eine spezielle Messkammer entwickelt, die die Wasserstoffanalyse in oxidischen Materialien mittels LIBS unter unterschiedlichen Bedingungen erlaubt. Diese Etablierung der LIBS-Analyse zur präzisen Wasserstoffquantifizierung in Oxiden stellt daher einen eigenständigen Durchbruch dar, der auch über das Projekt hinaus wertvolle Anwendungen in der Materialforschung ermöglicht. 2.Integration der Materialien in Elektrolysezellen: Das neuartige Material wurde erfolgreich als poröse Elektrode in Festoxidelektrolysezellen eingesetzt, was durch das elektrochemische Pumpen von H2 von der Anodenseite einer Buttoncell auf deren Kathodenseite belegt werden konnte. Die Kathode war dabei das von uns entwickelte neuartige gemischt protonen- und elektronenleitende Material. 3.Integration eines Stickstoffhydrierungs-Katalysators: Ein geeigneter Katalysator zur N2 Hydrierung wurde erfolgreich in eine poröse Elektrode integriert. Trotzdem konnte die NH3-Produktion nicht zweifelsfrei nachgewiesen werden, da die Ströme unter Hydrierungsbedingungen zu gering waren, was auf den hohen Widerstand der verwendeten kommerziellen Elektrolyte zurückzuführen war. Insgesamt betrachtet lieferte das Projekt eine Vielzahl wertvoller Erkenntnisse, die in die Einreichung eines FWF-geförderten Clusters of Excellence (CoE) "MECS" (Materials for Energy Conversion and Storage) einflossen. Offene Fragen werden nun im Rahmen dieses Clusters of Excellence weiter untersucht, wodurch das Projekt eine wichtige Grundlage für zukünftige Forschungen geschaffen hat.