Ausnutzung von unterpotential abgeschiedenem Wasserstoff ermöglicht energieeffiziente elektrochemische Nitratreduktion zu Ammoniak

Abfall in eine nützliche Ressource verwandeln

Ammoniak ist ein Grundpfeiler der modernen Landwirtschaft und Industrie, wird aber größtenteils noch immer im jahrhundertealten Haber‑Bosch‑Verfahren hergestellt, das große Mengen fossiler Brennstoffe verbraucht und erhebliche CO2‑Emissionen verursacht. Gleichzeitig bedroht Nitratverschmutzung durch Düngemittel und Industrieabwässer Flüsse, Seen und Trinkwasser. Diese Studie untersucht einen Weg, beide Probleme gleichzeitig anzugehen: Elektrizität zu nutzen, um Nitrat in alkalischem Wasser direkt in Ammoniak umzuwandeln, dabei energieeffizienter zu arbeiten und die Kosten im Wettbewerb mit heutigen großen Chemieanlagen konkurrenzfähig zu halten.

Warum Ammoniak und Nitrat wichtig sind

Ammoniak ernährt Milliarden Menschen über Düngemittel und dient zugleich als potenzieller sauberer Brennstoff und industrieller Rohstoff. Der Standardproduktionsweg trägt jedoch erheblich zu globalen CO2‑Emissionen und Energieverbrauch bei. Nitrat ist hingegen ein verbreiteter Schadstoff in Abwässern und landwirtschaftlichem Abfluss. Elektrochemische Systeme, betrieben mit erneuerbarem Strom, können prinzipiell Nitrat wieder in Ammoniak zurückführen und so den Stickstoffkreislauf schließen. Bestehende Systeme können bereits beeindruckende Ammoniakraten erzielen, verschwenden aber oft Energie und können bei den Kosten gegenüber Haber‑Bosch‑Anlagen kaum mithalten.

Ein neuer Katalysator, der wie ein Enzym wirkt

Die Forscher entwarfen einen speziellen festen Katalysator aus Silber‑ und Ruthenium‑Metallen, angeordnet in einem porösen, dreidimensionalen Gerüst. Unter dem Mikroskop bildet das Silber eine schwammartige Struktur mit winzigen Hohlräumen, während Ruthenium die Innenflächen als ultradünne Schicht überzieht. Dieses Layout ahmt nach, wie Enzyme Moleküle durch enge Kanäle lenken, die mit verschiedenen aktiven Stellen ausgekleidet sind. In diesem Fall treffen Nitratmoleküle zunächst auf Silberregionen, die Sauerstoff entfernen und Nitrat zu Nitrit umwandeln; dann wandern sie zu benachbarten Rutheniumregionen, wo sie weiter hydrogeniert und zu Ammoniak reduziert werden. Das Team zeigte, dass Silber und Ruthenium als getrennte metallische Phasen sehr dicht nebeneinander existieren, statt sich zu einer Legierung zu mischen — das ist entscheidend für ihre komplementären Rollen.

Versteckten Wasserstoff für effiziente Umwandlung nutzen

Ein zentrales Konzept der Arbeit ist die Nutzung einer feinen Form von Wasserstoff, der sich bei Potentialen an Metalloberflächen anlagert, die positiver liegen als jene, bei denen normalerweise Wasserstoffgas entsteht. Dieser „unterpotential“ Wasserstoff fungiert als bereitstehender Vorrat an Protonen auf der Rutheniumoberfläche, die direkt an Nitrit und andere Reaktionszwischenstufen abgegeben werden können, ohne Energie durch Abgasen von Wasserstoff zu verschwenden. Experimente und Computersimulationen zeigten, dass die elektronische Wechselwirkung zwischen Silber und Ruthenium das Wasserspalten auf Ruthenium erleichtert und so diese Oberflächenwasserstoffbildung beschleunigt, während zugleich die Bindung von Hydroxylgruppen an der Oberfläche gestärkt wird. Diese Hydroxylgruppen helfen, überschüssigen Wasserstoff durch Wiederbildung von Wasser zu entfernen und halten die Ruthenium‑Stellen gerade so offen, dass Nitrat und Nitrit anlanden und reagieren können.

Leistung in reinem Wasser und Abwasser

Bei Tests in stark alkalischer Lösung erreichte der Silber‑Ruthenium‑Katalysator sehr hohe Umwandlungsraten von Nitrat zu Ammoniak und eine nahezu perfekte Selektivität zugunsten von Ammoniak über ein breites Spektrum von Nitratkonzentrationen, von Spurenmengen bis zu konzentrierten Zuführungen. Bei moderaten angelegten Spannungen erreichte das System eine Halbzellenenergieeffizienz von 53,7 Prozent, was nahe an die Referenz des Haber‑Bosch‑Verfahrens heranreicht, und hielt auch in komplexen simulierten und realen Industrieabwässern eine hohe Leistung aufrecht. Die Kombination der nitratreduzierenden Kathode mit einer wasserstoffoxidierenden Anode in einer Durchflusszelle ermöglichte den Betrieb bei industriell relevanten Stromdichten und niedriger Gesamtzellenspannung, manchmal sogar mit einem leichten Nettoenergiegewinn unter günstigen Bedingungen.

Kosten und künftige Auswirkungen

Wirtschaftliche Analysen deuten darauf hin, dass mit dem neuen Katalysator und einem wasserstoffunterstützten Zellkonzept die Kosten für elektrochemisch erzeugtes Ammoniak unter etwa 1,15 US‑Dollar pro Kilogramm fallen könnten, ein typischer Preis für herkömmlich produziertes Ammoniak. Dies gilt über ein breites Spektrum von Betriebsströmen und bleibt praktikabel, selbst wenn Nitrat aus Abwasserströmen gesammelt und Wasserstoff aus Erdgas stammt — mit oder ohne CO2‑Abscheidung. Indem die Studie zeigt, wie die Stärke der Sauerstoffbindung an Ruthenium die Nutzung von Oberflächenwasserstoff und die Nitratadsorption steuert, schlägt sie zudem eine praktische Leitlinie für die Entwicklung besserer Katalysatoren vor. Für Nichtfachleute lautet die zentrale Botschaft: Es könnte künftig möglich sein, nitratbelastete Gewässer mit Strom in wertvolles Ammoniak zu verwandeln — mit wettbewerbsfähigem Energieverbrauch und Kosten — und so die Umwelt zu reinigen und zugleich eine wichtige Chemikalie zu liefern.

Zitation: Zhang, L., Liu, R., Liang, X. et al. Exploiting underpotential deposited hydrogen enables energy-efficient nitrate electroreduction to ammonia. Nat Commun 17, 4652 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71299-x

Schlüsselwörter: Nitratreduktion, Ammoniaksynthese, Elektrokatalysator, Silber Ruthenium, Abwasserbehandlung