Katalytische Reduktion von Nitrat zu Nitrit und mehr

Das Nitrat Anion NO3 ist, gemeinsam mit dem Phosphat Anion PO4, einer der beiden Hauptbestandteile von Kunstdüngern. Die Ernährung von mittlerweile über 8 Milliarden Menschen auf diesem Planeten wäre mittlerweile ohne den Einsatz von Kunstdüngern in der Landwirtschaft schlicht und einfach nicht mehr möglich. Das Nitrat selbst kommt zwar überall in der Natur vor in Form von Mineralien und Salzen, für lange Zeit war aber ein wirtschaftlicher Abbau des Nitrats nur in wenigen Teilen der Welt möglich. Schnell war absehbar, dass die natürliche Gewinnung von Nitraten auf Dauer nicht mit der stetig steigenden globalen Nachfrage mithalten können wird. Dies war auch dem Umstand geschuldet, dass Nitratsalze für die Herstellung von Sprengstoffen benötigt wurde. Aus diesen Gründen wurde nach einer chemischen Synthese von Nitrat geforscht, die schließlich durch die grundlegenden Arbeiten von Fritz Haber 1908 und später von Carl Bosch von der Fa. BASF in Ludwigshafen zum Durchbruch führten. Fortan konnten mittels Katalyse große Mengen Ammoniak NH3 direkt aus N2 und H2 hergestellt und in weiterer Folge zu Nitrat oxidiert werden. Heutzutage führt die vor allem übermäßige landwirtschaftlich Düngung zu einer erhöhten Nitrat Belastung von Trinkwasser, was nachteilige gesundheitliche Auswirkungen auf ältere Menschen und Kinder haben kann. Daher gibt es Grenzwerte für Nitrat im Trinkwasser. Technologisch gesehen gibt es jedoch lediglich physikalische Methoden, um überschüssiges Nitrat aus dem Trinkwasser zu entfernen, wie z.B. Ionen-Austausch Chromatographie oder Osmose. Das gemeinsame Problem bei diesen Verfahren ist, dass das Nitrat nur gefiltert wird, im Anschluss aber noch immer vorhanden ist, meist in Form einer hoch Nitrat-haltigen Schlacke, die dann als Sondermüll gilt. Ziel des hier vom FWF geförderten Projekts ist es nun eine chemische Entsorgung des Nitrats zu entwickeln, bei der es nicht bloß gefiltert, sondern zu völlig unbedenklichem N2 reduziert wird. Als Vorbild gilt hier die Natur selbst, die mittels Metall-haltiger Enzyme (vor allem Mo, Fe und Cu) genau diese Reaktion bei einem Überangebot an Nitrat bewerkstelligt. In unserem Fall werden wir die außergewöhnlichen katalytischen Eigenschaften des ungiftigem Nichtedelmetalls Rhenium (Re) dazu benutzen, diese chemisch gesehen doch recht schwierigen Reaktionen umzusetzen. Erste Vorarbeit hierfür waren bereits sehr vielversprechend.