Stand: 30.07.2026, 14:15 Uhr
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Ammoniak aus Abwasser könnte die Düngerproduktion entlasten: Ein neuer Katalysator nutzt Sonne, Gold und nur 1,5 Volt.
Wien – Ohne Ammoniak gäbe es kaum genug Dünger für die Landwirtschaft – doch seine Herstellung verschlingt enorme Mengen Energie. Forscher aus Österreich und China nutzen nun ausgerechnet Nitrat aus Abwasser als Rohstoff.
Dieser Beitrag entstand in Zusammenarbeit mit dem Wissensmagazin SMART UP NEWS
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Ein Katalysator aus MXene und winzigen Goldpartikeln verwandelt es mithilfe von Sonnenlicht und rund 1,5 Volt Spannung in Ammoniak. Dabei wird sogar die Wärme genutzt, die bei ähnlichen Verfahren meist verloren geht, heißt es in der Studie.
Entwickelt wurde der Katalysator an der TU Wien und der Universität Suzhou in China. Seine MXene-Schichten bestehen vor allem aus Kohlenstoff und Titan und sind nur wenige Atome dick. Sie fangen das Sonnenlicht ein und leiten dessen Energie weiter. An den aufgebrachten Goldpartikeln läuft anschließend die eigentliche Reaktion ab: Dort wird das im Wasser gelöste Nitrat Schritt für Schritt zu Ammoniak umgebaut.
Ammoniak aus Abwasser spart energieintensive Rohstoffe
Ammoniak gehört zu den wichtigsten Grundstoffen der Chemieindustrie. Vor allem Stickstoffdünger hängt davon ab. Bislang entsteht die Verbindung meist im Haber-Bosch-Verfahren. Dafür braucht es hohe Temperaturen, hohen Druck und große Mengen Energie. Der neue Ansatz nutzt dagegen Nitrat, das sich etwa in belastetem Wasser ansammelt.
„Sonnenlicht in chemische Energie umzuwandeln, indem man passende Katalysatoren verwendet, ist mittlerweile eine gut entwickelte und weit verbreitete Strategie“, sagt Günther Rupprechter vom Institut für Materialchemie der TU Wien. Allerdings verpuffe bei vielen Verfahren ein großer Teil der aufgenommenen Energie als Wärme. Für die gewünschte Reaktion bleibe dadurch deutlich weniger übrig.
Der Katalysator verwertet Wärme besonders effizient
Im neuen Material geht diese Wärme nicht einfach verloren. Das Licht versetzt Elektronen in den MXene-Schichten in eine gemeinsame Bewegung. Fachleute nennen solche Schwingungen Plasmonen. Dabei erhalten einzelne Elektronen so viel Energie, dass sie zu den Goldpartikeln wandern können.
Zugleich erwärmen sich die MXene-Schichten, während das Gold vergleichsweise kühl bleibt. Aus diesem Temperaturgefälle entsteht zusätzlicher elektrischer Strom. Verantwortlich dafür ist der sogenannte Seebeck-Effekt. Er bringt weitere Elektronen in Bewegung und unterstützt damit die chemische Umwandlung. Eine Spannung von rund 1,5 Volt reicht aus, um den Vorgang zusätzlich anzutreiben.
Ein Temperaturgefälle lenkt Elektronen zum Gold
Wärme trägt bei herkömmlichen Photokatalysatoren meist nur wenig zur Reaktion bei. Beim neuen Material entfielen nach Angaben der TU Wien dagegen 57 Prozent der Reaktivität auf thermische Effekte. Das Temperaturgefälle liefert damit mehr als die Hälfte des nutzbaren Beitrags.
Alexander Genest von der TU Wien untersuchte den Elektronentransport mit Computersimulationen. „Direkt an den Gold-Nanopartikeln werden nun Nitrat-Moleküle polarisiert“, sagt er. Dabei verschiebt sich die elektrische Ladung innerhalb der Moleküle. Ihre Bindungen lassen sich dadurch leichter verändern, und die Herstellung von Ammoniak benötigt weniger Energie.
Der Katalysator erzeugt große Mengen Ammoniak
In den Versuchen produzierte ein Gramm des Materials innerhalb einer Stunde 2,1 Mol Ammoniak. Das entspricht rechnerisch rund 35,7 Gramm. „Das ist ein sehr hoher Wert, der ein großes Potenzial für die industrielle Anwendung verspricht“, so Rupprechter.
Bis zu einem Einsatz in Kläranlagen oder Chemiefabriken bleiben jedoch praktische Fragen offen. Dazu gehören die Lebensdauer des Materials, die Kosten der Goldpartikel und die Leistung bei unterschiedlich zusammengesetztem Abwasser. Auch die Stabilität im Dauerbetrieb müsste sich erst unter realen Bedingungen bewähren.
Kurz zusammengefasst:
- Ein Katalysator aus MXene und Gold wandelt Nitrat aus Abwasser mit Sonnenlicht und rund 1,5 Volt Spannung in Ammoniak um.
- Das Material nutzt neben Licht auch entstehende Wärme; thermische Effekte liefern 57 Prozent der Reaktivität.
- In Versuchen erzeugte ein Gramm Katalysator pro Stunde 2,1 Mol Ammoniak, doch Praxistests unter realen Bedingungen stehen noch aus.