An der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat ein Forschungsteam einen Dreikomponenten-Katalysator aus Kupfer, Nickel und Wolfram entwickelt, der die Effizienz der gepulsten Elektrolyse deutlich erhöht. Das Verfahren ermöglicht die nachhaltige Gewinnung von Ammoniak und Ameisensäure in einem gekoppelten elektrochemischen Prozess.
Ammoniak und Ameisensäure sind zentrale Ausgangsstoffe für industrielle Anwendungen, zudem ist Ammoniak in der modernen Landwirtschaft unverzichtbar. Die Herstellung erfolgt bislang überwiegend im energieintensiven Haber-Bosch-Verfahren, das erhebliche CO₂-Emissionen verursacht. Die Elektrolyse gilt als nachhaltige Alternative, da sie mit Ökostrom betrieben werden kann.
Erweiterte Materialkombination verändert die Reaktionsführung
Die elektrochemische Reduktion von Nitrat zu Ammoniak wurde bislang vor allem mit Tandemkatalysatoren auf Basis von Kupfer und Nickel untersucht. Das an der JGU entwickelte System erweitert diese Kombination um Wolfram und greift damit gezielt in den Reaktionsverlauf ein. Während Kupfer die Abspaltung von Sauerstoff aus dem Nitrat unterstützt und Nickel an der Bildung von Wasserstoff beteiligt ist, trägt Wolfram dazu bei, dass dieser Wasserstoff bevorzugt an Stickstoff gebunden wird und nicht in konkurrierenden Nebenreaktionen verloren geht. Durch dieses Zusammenwirken verschiebt sich die Selektivität der Umsetzung zugunsten der Ammoniakbildung.
Im direkten Vergleich mit Kupfer-Nickel-Katalysatoren führt die zusätzliche Einbindung von Wolfram zu einer deutlichen Leistungssteigerung. Die Ammoniak-Ausbeute erhöht sich um mehr als 50 Prozent, wodurch sich die Effizienz der Elektrolyse unter den gewählten Bedingungen signifikant verbessert. Die Erweiterung des Materialspektrums wirkt damit nicht additiv, sondern verändert die Prozessführung in ihrer Gesamtheit.
Gepulste Spannungsführung und gekoppelte Stoffumwandlung
Die erzielte Steigerung beruht jedoch nicht ausschließlich auf der Materialwahl. Auch die Art, wie die elektrische Spannung an den Elektroden angelegt wird, beeinflusst die Reaktionsbedingungen. Bei der statischen Elektrolyse bleibt die Spannung konstant, während sie bei der gepulsten Variante zwischen zwei definierten Werten wechselt. Dieser Wechsel verändert die elektrochemische Dynamik, ohne dass der apparative Aufbau angepasst werden muss, und erhöht die Ammoniak-Ausbeute um weitere 17 Prozent.
Darüber hinaus wird die bislang wenig genutzte Anodenreaktion funktional in das Verfahren eingebunden. In konventionellen Systemen entsteht dort durch Wasser-Oxidation Sauerstoff, der industriell nur begrenzten Mehrwert besitzt. Im beschriebenen Ansatz wird stattdessen Glycerin oxidiert, ein Abfallprodukt der Biodiesel-Produktion, wodurch Ameisensäure entsteht. Diese dient unter anderem als Ausgangsstoff für Chemikalien und Arzneimittel. Die Kopplung von Nitratreduktion an der Kathode und Glycerinoxidation an der Anode ermöglicht es somit, zwei industriell relevante Stoffe innerhalb eines gemeinsamen elektrochemischen Prozesses zu erzeugen.
Originalpublikation: C. Nickel et al., Sustainable Ammonia Electrosynthesis Coupled With Glycerol Valorization via an Adaptive Tri-Component Catalyst, Angewandte Chemie, 1. Februar 2026, DOI: 10.1002/anie.202522014
