Stickstofffixierung

Zusammenfassung

Die Reduktion von Distickstoff zu Ammoniak (Stickstofffixierung) ist der grundlegende Prozess, um wenig reaktives, aber praktisch unbegrenzt vorhandenes N₂ in eine bioverfügbare Form zu überführen. Damit sind die biologische Stickstofffixierung (N₂ + H⁺/e⁻) vermittels Nitrogenasen und die heterogen katalysierte (Fe) Ammoniaksynthese aus den Elementen (Haber-Bosch-Prozess) unverzichtbare Grundlage für das Leben auf der Erde und für die Ernährung der Menschheit. Mit Mo- und Fe-Komplexen ist eine Reduktion von N₂ mit H⁺/e⁻ zu NH₃ homogen katalysiert gelungen, wenn auch bislang nur mit vergleichsweise geringen Umsatzzahlen.

Alle drei Prozesse basieren auf einer Aktivierung des thermodynamisch und kinetisch sehr stabilen N₂-Moleküls durch Komplexbildung, die einleitend besprochen wird. Nachfolgend werden die drei Prozesse abgehandelt, sodass die verschiedenen Prinzipien sowie die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der homogenen, der heterogenen und der enzymatischen Katalyse deutlich werden. Ergänzend werden homogen katalysierte Funktionalisierungen von N₂ beschrieben und auch ein präbiotisches stickstofffixierendes System sowie ein bioelektrochemischer Haber-Bosch-Prozess und eine photokatalytische Reduktion von N₂ an Halbleitern vorgestellt.