Quelltext der Seite Haber-Bosch-Verfahren

[[Datei:Ammoniak Reaktor BASF.jpg|hochkant|mini|Ein 1921 gebauter Ammoniak-Reaktor des Haber-Bosch-Verfahrens]]

Das '''Haber-Bosch-Verfahren''' ist ein großindustrielles chemisches [[Verfahrenstechnik|Verfahren]] zur [[Synthese (Chemie)|Synthese]] von [[Ammoniak]]. Es ist nach den deutschen Chemikern [[Fritz Haber]] und [[Carl Bosch]] benannt, die das Verfahren am Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelten. Der zentrale Schritt des Verfahrens, die '''Ammoniaksynthese''' aus atmosphärischem [[Stickstoff]] und [[Wasserstoff]], wird an einem eisenhaltigen Katalysator bei [[Druck (Physik)|Drücken]] von etwa 150 bis 350&nbsp;bar und Temperaturen von etwa 400 bis 500&nbsp;°C durchgeführt. Als bedeutendes Chemieverfahren mit einem Produktionsausstoß von mehr als 150&nbsp;Millionen Tonnen im Jahr 2017 deckt es mehr als 99 % der weltweiten Produktion an Ammoniak.<ref name="usgs" /><ref>{{Internetquelle |autor=Vaclav Smil |url=http://vaclavsmil.com/wp-content/uploads/docs/smil-article-worldagriculture.pdf |titel=Nitrogen cycle and world food production |werk= |hrsg=World Agriculture 2. 9-1. |datum=2011 |format=PDF |sprache=en |abruf=2019-02-20 |archiv-datum=2021-06-01 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20210601180655/http://vaclavsmil.com/wp-content/uploads/docs/smil-article-worldagriculture.pdf |offline=ja}}</ref> Das Verfahren ist für 1,4 % der weltweiten [[CO₂-Emissionen]] und ca. 1 % des globalen Energieverbrauchs verantwortlich.<ref>{{Literatur |Autor=Capdevila-Cortada, M. |Titel=Electrifying the Haber–Bosch. |Sammelwerk=Nat. Catal. |Band=2 |Datum=2019 |DOI=10.1038/s41929-019-0414-4 |Seiten=1055}}</ref>

Ammoniak ist eine chemische Substanz, die überwiegend für die Herstellung von [[Harnstoff]], [[Ammoniumnitrat]], [[Ammoniumsulfat]] sowie [[Ammoniumphosphat]]en genutzt wird. Diese Stoffe werden als [[Düngemittel]] verwendet und tragen zur Ernährung eines Großteils der Weltbevölkerung bei. Weiterhin dient Ammoniak der Herstellung von [[Sprengstoff]]en und anderen stickstoffhaltigen Chemikalien. Die [[selektive katalytische Reduktion]] nutzt Ammoniak in der [[Rauchgasentstickung]] zur Umwandlung schädlicher [[Stickoxide]] in Stickstoff und Wasser. Ammoniak wird außerdem seit 1876 als umweltfreundliches und energieeffizientes [[Kältemittel]] eingesetzt.

Die wissenschaftlichen Leistungen zur Realisierung dieses Verfahrens waren zum einen die Untersuchung der zugrunde liegenden chemischen Reaktion durch Fritz Haber und [[Walther Hermann Nernst|Walther Nernst]], zum anderen die systematische Suche nach geeigneten Katalysatoren durch [[Alwin Mittasch]] sowie die Klärung grundlegender verfahrenstechnischer Probleme für Hochdruckverfahren durch Carl Bosch. Im Zusammenhang mit dem Haber-Bosch-Verfahren vergab die Nobelstiftung 1918 den [[Nobelpreis für Chemie]] an Fritz Haber, 1931 an Carl Bosch sowie 2007 an [[Gerhard Ertl]], der die vollständige theoretische Erklärung des Mechanismus der Ammoniakbildung fand.

== Geschichte ==
=== Brot aus Luft ===
[[Datei:Sir William Crookes 1906.jpg|mini|hochkant|William Crookes, 1906]]

Seit Mitte des 19. Jahrhunderts ist durch die Arbeiten von [[Justus von Liebig]] bekannt, dass die Aufnahme von Stickstoffverbindungen eine Grundlage für das Wachstum von Nutzpflanzen ist.<ref name="haber4" /> Dem Ackerboden wurden die notwendigen Stickstoffverbindungen über Mist, Kompost oder durch eine bestimmte [[Fruchtfolge#Fruchtfolgegestaltung|Fruchtfolge]] zugeführt. Durch das rasante Anwachsen der Weltbevölkerung im 19. Jahrhundert konnte der damit einhergehende große Bedarf an [[Stickstoffdünger]]n nicht mehr durch natürliche Vorkommen von beispielsweise [[Guano]] oder [[Chilesalpeter]] und auch nicht durch technische Quellen wie [[Kokereigas]] gedeckt werden.<ref name="max" /> Um auf diesen Umstand hinzuweisen, hielt der britische Chemiker [[William Crookes]] im Juni 1898 vor der ''[[British Association for the Advancement of Science]]'' in [[Bristol]] eine vielbeachtete Rede. Darin legte er dar, dass bis zum Jahr 1918 die Nachfrage nach Stickstoffverbindungen das Angebot bei weitem übersteigen werde und der westlichen Welt eine Hungersnot ungeahnten Ausmaßes drohe. Er führte weiterhin aus, dass die einzige Lösung dieses Problems die [[Stickstofffixierung#Technische Stickstofffixierung|chemische Fixierung]] des in der Luft enthaltenen Stickstoffs sei.<ref name="crookes" /><ref>William Crookes: ''The Wheat Problem.'' Longmans, Green, and Co., London/New York/Bombay/Calcutta 1917.</ref> Die technische Umsetzung dieses Prozesses nannte er eine der großen Herausforderungen für die Chemiker seiner Zeit. Der unter dem Schlagwort „Brot aus Luft“ bekannte Versuch der Bindung des Luftstickstoffs in einer von Pflanzen aufnahmefähigen Chemikalie avancierte daraufhin zu einem der Schwerpunkte der chemischen Forschung der damaligen Zeit.<ref name="hermann" />

=== Frühe Entwicklungen ===
[[Datei:Notodden Salpeterfabriker 25.11.1906.jpg|mini|Bau der Salpetersäurefabrik des Birkeland-Eyde-Verfahrens in [[Notodden]], 1906]]

Ein erster Durchbruch bei der Fixierung des Luftstickstoffs gelang 1898 mit der Darstellung von [[Calciumcyanamid]] nach dem [[Frank-Caro-Verfahren]], bei dem [[Calciumcarbid]] bei hohen Temperaturen atmosphärischen Stickstoff aufnimmt und so fixiert. Die [[Hydrolyse]] des Calciumcyanamids liefert Ammoniak und [[Calciumcarbonat]].<ref name="caro" /> Obwohl große Kapazitäten für die Herstellung von Calciumcyanamid aufgebaut wurden, war das Verfahren auf Dauer wegen des hohen Energiebedarfs von etwa 190&nbsp;[[Joule|Gigajoule]] pro Tonne Ammoniak nicht konkurrenzfähig.<ref name="anderson" />

[[Wilhelm Ostwald]] meldete im Jahre 1900 ein [[Patent]] zur „Herstellung von Ammoniak und Ammoniakverbindungen aus freiem Stickstoff und Wasserstoff“ an, da es ihm scheinbar gelungen war, Ammoniak katalytisch aus den Elementen herzustellen. Schon 1903 veröffentlichte der Rottweiler Sprengstoff-Hersteller Max Duttenhofer die Warnung Ostwalds vor einem Salpeter-Embargo im Kriegsfalle im [[Schwäbischer Merkur|Schwäbischen Merkur]].<ref>Hans-Erhard Lessing: ''Brot für die Welt, Tod dem Feind.'' in S.Leibfried (Hg.): ''Berlins Wilde Energien'' de Gruyter, Berlin, 2015 S. 349.</ref> Ostwald zog sein Patent zurück, nachdem Bosch nachgewiesen hatte, dass das entstandene Ammoniak aus dem [[Eisennitride|Eisennitrid]] des verwendeten Katalysators stammte.<ref name="hager" />

Das [[Birkeland-Eyde-Verfahren]], das von dem norwegischen Wissenschaftler [[Kristian Birkeland]] und seinem Geschäftspartner [[Sam Eyde]] entwickelt und 1903 in Betrieb genommen wurde, fixierte den Luftstickstoff, indem er ihn mittels eines elektrischen [[Lichtbogen]]s direkt zu [[Stickstoffmonoxid]] oxidierte. Beim Abkühlen und weiterer Oxidation bildete sich [[Distickstoffpentoxid]], das durch Absorption in Wasser zu Salpetersäure reagierte.<ref name="birkeland" /> Die geringe Energieeffizienz führte schon bald zur Verdrängung des Verfahrens.

=== Grundlegende Arbeiten ===
[[Datei:Fritz Haber.png|mini|hochkant|Fritz Haber, 1918]]
[[Datei:Haber Ammonia.JPG|mini|Habers Versuchsaufbau zur Ammoniaksynthese in Karlsruhe]]
Im Jahr 1904 begann Fritz Haber, der zu diesem Zeitpunkt als [[außerordentlicher Professor]] für [[Technische Chemie]] in [[Karlsruhe]] arbeitete, sich mit den chemischen Grundlagen der Ammoniaksynthese zu beschäftigen. Die dabei gefundene [[Gleichgewichtskonstante]] für die Synthese von Ammoniak aus den Elementen Stickstoff und Wasserstoff entsprach bei einer Temperatur von 1000&nbsp;°C und [[Normaldruck]] einer Ausbeute von unter 0,01&nbsp;Prozent und war damit zu niedrig zur Realisierung eines technischen Prozesses. Haber war bewusst, dass ein höherer Druck zu besseren Ausbeuten führen würde, doch aufgrund der zu erwartenden technischen Probleme stellte er seine Forschungen auf diesem Gebiet vorübergehend ein. Erst eine wissenschaftliche Auseinandersetzung mit Walther Nernst über die Gleichgewichtskonstante der Ammoniaksynthese auf Grundlage des [[Nernst-Theorem]]s veranlasste Haber, seine Arbeit fortzusetzen.<ref name="hermann" /> Als Ergebnis weiterer Forschungen hielt er die Überführung in die Technik erst bei Temperaturen von unter 300&nbsp;°C und nur mit einem geeigneten [[Katalysator]] für möglich.<ref name="haber2" /> Die praktische Umsetzung gelang ihm kurz darauf mit Hilfe eines auf [[Osmium]] basierenden Katalysators.<ref name="haber3" />

Haber beantragte am 13. Oktober 1908 beim [[Kaiserliches Patentamt|Kaiserlichen Patentamt]] in Berlin Patentschutz für ein „Verfahren zur synthetischen Darstellung von Ammoniak aus den Elementen“, den dieses am 8.&nbsp;Juni 1911 mit dem Patent Nr.&nbsp;235.421 gewährte.<ref name="haber1" /> Da er mittlerweile mit der [[BASF]] zusammenarbeitete, überließ er dem Unternehmen das Patent zur wirtschaftlichen Nutzung.

=== Technische Realisierung ===
[[Datei:1908 Carl Bosch (1874-1940).jpg|mini|hochkant|Carl Bosch, 1908]]

Die Bereitstellung vor allem des Rohstoffs Wasserstoff, der in größeren Mengen bis dahin nur bei der [[Chloralkali-Elektrolyse]] anfiel, erforderte völlig neue Prozesse. Auch für den Bau der zur Ammoniaksynthese benötigten [[Chemischer Reaktor|chemischen Reaktoren]], in denen Wasserstoff bei hohen Drücken und Temperaturen kontrolliert werden konnte, gab es bis dahin keine Referenzen in der Technik. Carl Bosch und Fritz Haber entwickelten daraufhin neue Lösungen in vielen Bereichen der technischen Chemie und des Reaktorbaus.<ref name="bosch" />

Aufgrund der großen Anzahl an benötigten Spezialisten zur Umsetzung der Herstellung im industriellen Maßstab gründete Bosch einen interdisziplinären Arbeitsbereich [[Chemietechnik]], in dem [[Maschinenbau]]ingenieure und Chemiker zusammenarbeiteten. Da die zunächst für den Reaktorbau verwendeten Stähle durch atomar eindiffundierten Wasserstoff erodierten, war eine Aufgabe des neuen Arbeitsbereiches die Erforschung von Werkstoffschäden durch [[Entkohlung]] der [[AHSS|Kohlenstoffstähle]]. Dies führte schließlich zur Entwicklung hochlegierter [[Rostfreier Stahl|Chrom-Nickel-Stähle]], die einem Wasserstoffangriff bei den benötigten Reaktionstemperaturen und -drücken standhielten. Insbesondere das von [[Julius Schierenbeck]] entwickelte Schierenbeck-Wickelverfahren, bei dem auf ein chemisch widerstandsfähiges Zentralrohr mehrere Lagen eines heißen Metallbandes aufgeschrumpft wurden, ermöglichte den Bau größerer und sicherer Hochdruckreaktoren.<ref name="schönbeck" />
[[Datei:Alwin Mittasch 1902 retuschiert.jpg|mini|hochkant|Alwin Mittasch, 1902]]
Parallel dazu entwickelte [[Alwin Mittasch]] etwa 3000 verschiedene Katalysatoren auf Basis von Eisenoxid mit verschiedenen umsetzungsbeschleunigenden Substanzen, die er Aktivator oder [[Promotor (Katalyse)|Promotor]] nannte und testete diese in 20.000 Versuchen.<ref name="baerns" /><ref name="mittasch" /> Der im Jahr 2015 verwendete Katalysator entsprach noch weitgehend dem von Mittasch entwickelten.

Im Jahr 1913 nahm die BASF erstmals eine Anlage nach dem Haber-Bosch-Verfahren im Werk [[Ludwigshafen-Oppau]] in Betrieb. Die Kapazität der Anlage betrug anfangs 30 Tonnen pro Tag.<ref name="max" /> Bereits 1914 wurde die Weiterentwicklung des Verfahrens bis zur großindustriellen Anwendbarkeit durch den deutschen Generalstabschef [[Erich von Falkenhayn]] forciert, woraufhin Bosch das sogenannte [[Salpeterversprechen]] abgab. Dabei handelte es sich um einen Vertrag zur Lieferung von Nitraten mit staatlichen Abnahmegarantien und unter finanzieller Unterstützung durch das Reich für den Bau entsprechender Anlagen.<ref name="abelshauser" /> Damit sollte [[Ammoniumnitrat]] als Grundlage militärischer [[Sprengstoff]]e in ausreichendem Maße ohne den sonst verwendeten natürlich vorkommenden Salpeter produziert werden können. Kurz darauf gelang es durch das Haber-Bosch-Verfahren, entsprechend große Mengen des kriegswichtigen Materials herzustellen. Damit konnte das durch die britische [[Seeblockade#Britische Seeblockade in der Nordsee|Seeblockade]] von Stickstoffquellen wie [[Chilesalpeter]] abgeschnittene Deutsche Reich im [[Erster Weltkrieg|Ersten Weltkrieg]] seine Munitions- und auch seine Düngemittelproduktion aufrechterhalten und den wirtschaftlichen Zusammenbruch abwenden. Neben der Großanlage in [[Ludwigshafen-Oppau|Oppau bei Ludwigshafen]] wurden weitere in [[Leuna]] und [[Bitterfeld]] durch die BASF und nach Fusion im deutschen Großkonzern durch die [[I.G. Farben]] betrieben.<ref name="turnock" />

=== Nach dem Ersten Weltkrieg ===
<imagemap>
Datei:IGFarbenGoetterrat.jpg|mini|Der [[I.G. Farben#Verwaltungsrat|Verwaltungsrat der I.G. Farben]] und der Vorstandsvorsitzende [[Carl Bosch]] (links vorne) auf einem Gemälde von [[Hermann Groeber]] (1926)
 circle 972 565 250 [[Arthur von Weinberg]]
circle 1317 437 221 [[Carl Müller (Chemiker)|Carl Müller]]
circle 2598 459 280 [[Edmund ter Meer]]
circle 3103 326 225 [[Adolf Haeuser]]
circle 3337 570 221 [[Franz Oppenheim]]
circle 236 1007 252 [[Theodor Plieninger (Industrieller)|Theodor Plieninger (GRIESHEIM-ELEKTRON)]]
circle 546 937 239 [[Ernst von Simson]]
circle 882 1252 255 [[Carl Bosch]]
circle 1189 928 227 [[Walther vom Rath]]
circle 1862 934 213 [[Wilhelm Ferdinand Kalle]]
circle 2476 926 210 [[Carl von Weinberg]]
circle 2764 1279 412 [[Carl Duisberg]]
desc bottom-right
</imagemap>

Nach dem Ersten Weltkrieg verpflichtete die Siegermacht Frankreich die BASF durch ein Abkommen, sämtliche Patente und Erfahrungen des Verfahrens herauszugeben und den Aufbau einer entsprechenden Fabrik in [[Toulouse]] zu unterstützen.<ref name="schröter" /> Weitere Ammoniakanlagen entstanden zur selben Zeit in England, Italien und anderen Ländern. Diesen Bauvorhaben lag entweder eine Lizenz der BASF oder eine Verfahrensvariante mit veränderten Prozessparametern zugrunde, wozu das Casale-Verfahren und das Mont-Cenis-Uhde-Verfahren von dem 1921 gegründeten Ingenieurbüro [[Friedrich Uhde]]<ref>{{Internetquelle |url=https://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/de/media/pressemitteilungen/100-jahre-thyssenkrupp-uhde |titel=100 years of thyssenkrupp Uhde |sprache=de |abruf=2021-10-11}}</ref> mit modifiziertem Katalysator zu zählen sind.<ref name="max" />
[[Datei:Stickstoffmenge.svg|mini|Entwicklung der deutschen Ammoniakproduktion in den Jahren von 1913 bis 1945 in Kilotonnen fixiertem Stickstoff<ref name="smil1" />]]
In die Zeit zwischen den Weltkriegen fiel die Gründung der I.G. Farben mit Carl Bosch als ihrem ersten Vorstandsvorsitzenden. Bereits 1926 betrug die [[Marktkapitalisierung]] des Unternehmens mit seinen mittlerweile 100.000 Mitarbeitern rund 1,4 Milliarden [[Reichsmark]]. Durch die mit dem New Yorker Börsencrash vom Oktober 1929 beginnende [[Weltwirtschaftskrise]] verringerte sich die Nachfrage nach synthetischem Ammoniak erheblich. Die Produktion in Deutschland, die bereits ein Jahresvolumen von über 800.000&nbsp;Tonnen erreicht hatte, sank daraufhin auf unter 500.000&nbsp;Tonnen und die Einnahmen der I.G. Farben halbierten sich.<ref name="zollitsch" /> Dennoch blieb die I.G. Farben bis 1930 der weltweit größte Hersteller von Ammoniak; 65&nbsp;Prozent des Gesamtgewinns entfielen auf die Ammoniaksynthese.

Das vom [[Kabinett Brüning I|Kabinett Brüning]] erlassene [[Embargo|Einfuhrembargo]] für Stickstoffdünger erlaubte der I.G. Farben, die Preise für synthetische Düngemittel wieder zu erhöhen. Nach der [[Machtergreifung]] Hitlers übernahm das Nazi-Regime die Kontrolle über die I.G. Farben. Bosch stellte auf Druck des [[Kabinett Hitler|NS-Regimes]] 1935 seinen Vorstandsposten zur Verfügung, der an das [[NSDAP]]-Mitglied und [[Wehrwirtschaftsführer]] [[Hermann Schmitz (Industrieller)|Hermann Schmitz]] fiel.<ref name="lessing" /> 1940 erreichte die Ammoniakproduktion in Deutschland bereits eine Million Tonnen pro Jahr.<ref name="smil1" /> Infolge des stetig steigenden Bedarfs an Ammoniak und seinen Folgeprodukten entstanden immer leistungsfähigere Reaktoren.

=== Nach dem Zweiten Weltkrieg ===
[[Datei:Ammoniakproduktion.svg|mini|Entwicklung der Ammoniak-<br />produktion von 1946 bis 2007<ref name="usgs-historical" />]]

Die zunehmende Verfügbarkeit von preiswertem [[Erdöl]] und [[Kostensenkung|kostenreduzierenden]] Vergasungsprozessen durch beispielsweise die partielle Oxidation von Erdölfraktionen ermöglichte nach dem Zweiten Weltkrieg den Aufbau von Haber-Bosch-Anlagen in aller Welt. Die ursprünglich von der I.G. Farben entwickelte partielle Oxidation wurde durch das Unternehmen [[Imperial Chemical Industries]] (ICI) verbessert und um die Oxidation von [[Naphtha]] erweitert, womit in den 1950er und 1960er Jahren die Rohstoffe des Verfahrens preiswerter wurden.<ref name="max" />

[[Entwicklungsdienstleister|Ingenieurunternehmen]] wie M. W. Kellogg entwickelten in der Folgezeit energieeffizientere und damit kostengünstigere Großanlagen mit nur einem Reaktor, die zu einer weltweiten Erhöhung der [[Kapazität (Wirtschaft)|Anlagenkapazität]] führten. Zunehmender [[Wettbewerb (Wirtschaft)|Wettbewerb]] und ein hoher Kostendruck ebneten schließlich den Weg für das LCA-Verfahren der ICI und das KAAP-Verfahren von [[KBR (Unternehmen)|Kellogg, Brown & Root]], bei dem erstmals ein [[Ruthenium]]katalysator Verwendung fand.<ref name="max" />

== Rohstoffe ==
[[Datei:Deutsches Chemie-Museum Merseburg, Ammoniak-Synthesekammer (2014).jpg|mini|Deutsches Chemie-Museum Merseburg: Ammoniak-Synthesekammer, dahinter Gebäude der Hochdruck-Umlaufpumpe (2014)]]

[[Ammoniak]] entsteht in einer [[Gleichgewichtsreaktion]] aus den Elementen [[Wasserstoff]] und [[Stickstoff]] gemäß der Gleichung

:<math> \ \mathrm{N_2} + 3 \ \mathrm{H_2} \quad \rightleftharpoons \quad \ 2 \ \mathrm{NH_3}</math>,

wobei der benötigte Stickstoff der Umgebungsluft entnommen wird. Der ebenfalls in der Luft enthaltene, aber unerwünschte Sauerstoff wurde zunächst durch Reduktion mit Wasserstoff in Wasser umgesetzt und so abgeschieden; das Fauser-Verfahren nutzte den bei der Ammoniakverbrennung mit Luft nicht umgesetzten Stickstoff als Rohstoff. Später erwies sich die Stickstoffgewinnung durch Luftzerlegung nach dem [[Linde-Verfahren]] als wirtschaftlicher.<ref name="bosch" />

Den größten Teil der Produktionskosten verursacht die Beschaffung von Wasserstoff, der zunächst aus der kostenintensiven [[Chloralkali-Elektrolyse]] gewonnen wurde.<ref name="bosch" /> Mit Erdgas, Erdöl, Kohle sowie den Elektrolyseprodukten von Wasser kamen später weitere Quellen zur Erzeugung von Wasserstoff hinzu.<ref name="press" />

[[Datei:Winkler-Generator.svg|mini|Winkler-Generator]]

Die BASF verwendete [[Wassergas]] auf Basis der [[Kohlevergasung]] von [[Braunkohle]] mittels eines [[Winkler-Generator]]s als primäre Quelle. Der Wasserstoff wird dabei über die Reaktion von Wasserdampf mit glühendem Koks gewonnen. Die zugeführte Luft wird derart dosiert, dass der Sauerstoff vollständig zu [[Kohlenstoffmonoxid]] umgesetzt wird. Der für die spätere Ammoniaksynthese erforderliche Stickstoff verblieb im Wassergas. Anschließend wurde das Kohlenstoffmonoxid mittels Konvertierung in leicht zu entfernendes Kohlenstoffdioxid oder in einer [[Wassergas-Shift-Reaktion]] zur Bereitstellung weiteren Wasserstoffs verwendet.<ref name="bosch" /> Mit dem Rohstoff Kohle wurden im Jahr 2008 etwa 18&nbsp;Prozent des weltweit produzierten Wasserstoffs hergestellt.<ref name="press" />

Obwohl [[Erdgas]] in den 1920er Jahren der BASF noch nicht als Rohstoff für die Herstellung von Wasserstoff zur Verfügung stand, initiierte Carl Bosch bereits die Entwicklung der [[Dampfreformierung]] von [[Methan]], welche später ein wichtiger Bestandteil des Verfahrens werden sollte. Einen Durchbruch erzielte Georg Schiller für die I.G. Farben, dem die Dampfreformierung von Methan mittels eines Nickeloxid-Katalysators gelang.<ref name="schiller" /> Der [[ExxonMobil|Standard Oil of New Jersey]] wurde eine Lizenz erteilt, die 1931 mit der Wasserstoffproduktion durch Dampfreformierung in ihrem Werk in [[Baton Rouge]] in [[Louisiana]] begann.<ref name="smil" /> Auf die Dampfreformierung von Erdgas entfielen 2014 etwa 48&nbsp;Prozent der globalen Wasserstoffproduktion, zirka 60&nbsp;Prozent davon verwendete das Haber-Bosch-Verfahren.<ref name="jin" />

Ein anderes mögliches Verfahren der Wasserstoffgewinnung ist die [[partielle Oxidation]]. Dabei werden erdgas- oder erdölstämmige [[Kohlenwasserstoffe]] mit Sauerstoff und Wasserdampf in einem offenen Reaktor ohne Katalysator bei etwa 1100&nbsp;°C vergast und das Synthesegas wie bei der Dampfreformierung weiterverarbeitet. Die höheren Kohlenwasserstoffe aus Erdöl trugen 2008 zu 30&nbsp;Prozent zur jährlichen Produktion von Wasserstoff bei.<ref name="press" />

Wasserstoff kann weiterhin durch die Elektrolyse von Wasser gewonnen werden. Hierdurch wird mit elektrischer Energie Wasser in Wasserstoff (H<sub>2</sub>) und Sauerstoff (O<sub>2</sub>) zerlegt. Dieses Verfahren ist nur wirtschaftlich, wenn preiswerte elektrische Energie zum Beispiel aus [[Wasserkraft]] zur Verfügung steht. Auf die Elektrolyse entfielen 2008 etwa vier&nbsp;Prozent der Wasserstoffproduktion.<ref name="press" /> Angesichts der Klimaproblematik und dem Bestreben, CO<sub>2</sub>-Emissionen zu verringern, ist diese Möglichkeit der Wasserstoffgewinnung unter Verwendung erneuerbarer Energien wie Windkraft oder Solarstrom wieder stark in den Fokus der Politik und Wirtschaft gelangt.

Mit dem Aufkommen von [[Katalytisches Reforming#Geschichte|Platforming]]-Kapazitäten in den [[Vereinigte Staaten|Vereinigten Staaten]] Mitte der 1950er Jahre stand eine petrochemische Wasserstoffquelle zur Verfügung, die 1956 etwa elf&nbsp;Prozent des benötigten Wasserstoffs für die Ammoniaksynthese in den Vereinigten Staaten bereitstellte.<ref name="asinger" /> Später nutzten andere Raffinerieverfahren wie die [[Hydrodesulfurierung]] sowie das [[Hydrocracken]] den anfallenden Wasserstoff.

== Katalysator ==
[[Datei:Ammoniak-Reaktor 1913 Oppau (retuschiert).jpg|mini|hochkant|Erster Reaktor im Werk Oppau 1913]]

Zur Senkung der [[Aktivierungsenergie]] und der damit einhergehenden Steigerung der [[Reaktionsgeschwindigkeit (Chemie)|Reaktionsgeschwindigkeit]] wird bei vielen chemischen Prozessen ein zusätzlicher Stoff, der [[Katalysator]], eingesetzt, der während der Reaktion nicht verbraucht wird. Unterscheidet sich dabei der [[Aggregatzustand]] des Katalysators von dem der eigentlichen miteinander reagierenden Stoffe, handelt es sich um einen heterogenen Katalysator. So auch beim Haber-Bosch-Verfahren, bei dem feinverteiltes Eisen auf einem Eisenoxidträger in fester Form als Katalysator innerhalb eines reagierenden Gasgemisches dient. Dieser heterogene Katalysator, auch „Kontakt“ genannt, entsteht während der Reaktion aus einem anderen, zuvor im Reaktor eingebrachten Material, dem „Katalysatorvorläufer“ oder „[[Präkursor]]kontakt“.

=== Eisenkatalysator ===
[[Datei:Heterogene Katalyse.svg|mini|hochkant|Aktivkomponentenprofile [[Heterogene Katalyse|heterogener Katalysatoren]]; die Abbildung rechts oben zeigt das Profil eines Schalenkatalysators]]

Der heterogene Eisenkatalysator ist eine katalytisch sehr aktive Form des [[kubisch raumzentriert]]en [[Ferrit (Phase)|α-Eisens]] und entsteht durch chemische Reduktion aus einer speziellen Form oxidierten Eisens, dem [[Magnetit]] (Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>). Die Wirkung des Katalysators wird durch oxidische [[Promotor (Katalyse)|Promotoren]] verstärkt, die dem Magnetit zuvor zugesetzt wurden. Im Falle der Ammoniaksynthese zählen dazu beispielsweise [[Aluminiumoxid]], [[Kaliumoxid]], [[Calciumoxid]] und [[Magnesiumoxid]].<ref name="mittasch" />

Die Herstellung des benötigten Magnetitkontakts erfordert einen speziellen Schmelzprozess, bei dem die verwendeten [[Rohmaterial]]ien frei von [[Katalysatorgift]]en und die Promotorenzuschläge gleichmäßig in der Magnetit-Schmelze verteilt sein müssen. Durch schnelles Abkühlen der etwa 3500&nbsp;°C heißen Magnetit-Schmelze bildet sich der gewünschte Katalysator mit hoher [[Katalysatoraktivität|Aktivität]], wodurch die Abriebresistenz desselben vermindert wird. Trotz dieses Nachteils wird in der Praxis die Methode des schnellen Abkühlens häufig bevorzugt.<ref name="Appl" />

Die [[Reduktion (Chemie)|Reduktion]] des Katalysatorvorläufers Magnetit zu α-Eisen wird mit [[Synthesegas]] direkt in der Produktionsanlage durchgeführt. Die Reduktion des Magnetits verläuft zunächst über die Stufe von [[Wüstit]] (FeO), sodass sich ein Kontakt mit einem Kern aus Magnetit bildet, der von einer Hülle aus Wüstit umgeben ist. Die weitere Reduktion der Magnetit- und Wüstit-Phase führt zur Bildung von α-Eisen, das zusammen mit den Promotoren die äußere Schale bildet.<ref name="max" /> Die dabei ablaufenden Prozesse sind komplex und hängen von der Reduktionstemperatur ab. So [[Disproportionierung|disproportioniert]] Wüstit bei tieferen Temperaturen in eine Eisen- und eine Magnetitphase, bei höheren Temperaturen ist die Reduktion der Wüstit- und Magnetitphase zum Eisen der dominante Prozess.<ref name="jozwiak" />

Das α-Eisen bildet [[Kristallit|Primärkristallite]] mit einem Durchmesser von etwa 30&nbsp;[[Meter#Gebräuchliche dezimale Vielfache|Nanometern]]. Diese bilden ein bimodales [[Pore]]nsystem mit Porendurchmessern von etwa 10&nbsp;Nanometern, die durch Reduktion der Magnetit-Phase entstehen, beziehungsweise von 25 bis 50&nbsp;Nanometer, die durch Reduktion der Wüstit-Phase entstehen.<ref name="max" /> Die Promotoren werden mit Ausnahme von [[Cobalt(II)-oxid|Cobaltoxid]] nicht reduziert.

Bei der Reduktion des Eisenoxids mit Synthesegas entsteht als Nebenprodukt Wasserdampf. Für eine optimale Katalysatorqualität muss dieser Wasserdampf berücksichtigt werden. Wenn dieser in Kontakt mit dem fein verteilten Eisen kommt, führt das speziell in Verbindung mit hohen Temperaturen zu vorzeitiger [[Alterung (Chemie)|Alterung]] des Katalysators durch [[Rekristallisation]]. Daher wird der [[Dampfdruck]] des bei der Katalysatorbildung entstehenden Wassers im Gasgemisch möglichst gering gehalten, wobei Werte von unter 3&nbsp;gm<sup>−3</sup> angestrebt werden. Die Reduktion wird aus diesem Grund bei hohem [[Gasaustausch]], geringem Druck und niedrigen Temperaturen durchgeführt. Die [[Exothermie]] der Ammoniakbildung sorgt für eine schrittweise Erhöhung der Temperatur.<ref name="Appl" />

Die Reduktion von frischem, vollständig oxidiertem Katalysator beziehungsweise Präkursor bis hin zum Erreichen der vollen Kapazität dauert vier bis zehn Tage.<ref name="Appl" /> Die Wüstit-Phase wird schneller als die [[Magnetit]]-Phase (Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>) und bei geringeren Temperaturen reduziert. Nach detaillierten kinetischen, mikroskopischen und [[Röntgenspektroskopie|röntgenspektroskopischen]] Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass sich Wüstit als Erstes zu metallischem Eisen umsetzt. Dies führt zu einer Dichteinhomogenität (Gradient) der [[Eisen(II)-oxid|Eisen(II)-ionen]], wodurch diese vom Magnetit durch das Wüstit an die Grenzfläche diffundieren und dort als Eisenkeime ausfallen.<!-- Zu speziell Die Diffusion wird durch [[Gitterfehler|Defekte]] im Wüstit ermöglicht.

Die Reduktion von dreifach geladenem Eisenion Fe<sup>3+</sup> zum zweifach geladenen Fe<sup>2+</sup> an der Magnetit-Wüstit-[[Grenzfläche]] wird nicht durch direkten Kontakt mit Wasserstoff, sondern durch Ionen- und Elektronen-Diffusion verursacht. Dieser Prozess führt zu einer [[Heterogene Katalyse#Herstellungsmethoden für heterogene Katalysatoren|Schalenstruktur]].-->

In der technischen Praxis haben vorreduzierte, stabilisierte Katalysatoren einen bedeutenden [[Marktanteil]] errungen. Sie verfügen bereits über die voll ausgebildete [[Pore]]nstruktur, sind jedoch nach der Herstellung wieder an der Oberfläche oxidiert worden und damit nicht mehr [[pyrophor]]. Das Reaktivieren solcher vorreduzierten Katalysatoren benötigt lediglich 30 bis 40&nbsp;Stunden anstelle sonst üblicher mehrtägiger Zeitspannen. Neben der geringen Anlaufzeit besitzen sie mit einer höheren Wasserresistenz und einem geringeren Gewicht weitere Vorteile.<ref name="Appl" />

{| class="wikitable centered"
!Zusammensetzung eines Kontakts<ref name="ertl1" />
!% Eisen
!% Kalium
!% Aluminium
!% Calcium
!% Sauerstoff
|-
|align="left" | Volumenzusammensetzung
| 40,5
| {{0}}0,35
| {{0}}2,0
| 1,7
| 53,2
|-
|align="left" | Oberflächenzusammensetzung vor Reduktion
| {{0}}8,6
| 36,1
| 10,7
| 4,7
| 40,0
|-
|align="left" | Oberflächenzusammensetzung nach Reduktion
| 11,0
| 27,0
| 17,0
| 4,0
| 41,0
|}
{{Absatz}}

=== Andere Katalysatoren als Eisen ===
Seit der industriellen Einführung des Haber-Bosch-Verfahrens wurden viele Anstrengungen zu dessen Verbesserung unternommen, in deren Folge es zu bedeutenden Fortschritten kam. Bei der Verbesserung des Katalysators zur Ammoniaksynthese hingegen gab es seit den 1920ern lange Zeit keine nennenswerten Fortschritte.

Im Rahmen der Suche nach geeigneten Katalysatoren wurden viele Metalle intensiv getestet: Die Voraussetzung zur Eignung ist die dissoziativ verlaufende Adsorption des Stickstoffs (das Stickstoff-Molekül muss also während der Adsorption in zwei Stickstoff-Atome gespalten werden). Gleichzeitig darf die Bindung der Stickstoff-Atome nicht zu stark erfolgen, anderweitig käme es zur Herabsetzung der katalytischen Fähigkeiten (also zur ''Selbstvergiftung''). Die Metalle im [[Periodensystem]] der Elemente links der Eisengruppe zeigen eine solche zu starke Bindung zu Stickstoff. Durch die damit verbundene Bildung von Volumen- oder [[Nitride|Oberflächennitriden]] werden beispielsweise [[Chrom]]-Katalysatoren unwirksam, sie vergiften sich selbst. Metalle rechts der [[Eisengruppe]] hingegen adsorbieren Stickstoff in zu geringem Maße, als dass sie ausreichend Stickstoff für die Ammoniaksynthese zu aktivieren in der Lage wären. Haber selbst verwendete zunächst [[Osmium]] und [[Uran]] als Katalysatoren. Uran reagiert während der Katalyse zum Nitrid und [[Osmium(VIII)-oxid|Osmiumoxid]] ist sehr selten, flüchtig und hochgiftig.<ref name="Bowker" />

Aufgrund des vergleichsweise geringen Preises, der großen Verfügbarkeit, der einfachen Verarbeitung, der Lebensspanne und der Aktivität wurde schließlich Eisen als Katalysator gewählt. Für eine Produktionskapazität von beispielsweise 1800&nbsp;Tonnen pro Tag wird damit ein Druck von mindestens 130&nbsp;[[Bar (Einheit)|bar]], Temperaturen von 400 bis 500&nbsp;°C und ein Reaktorvolumen von wenigstens 100&nbsp;m³ benötigt. Theoretischen und praktischen Untersuchungen zufolge ist der Spielraum für weitere Verbesserungen des reinen Eisenkatalysators begrenzt. Erst die seit 1984 eingesetzte Modifizierung des Eisenkatalysators durch [[Cobalt]] steigerte dessen Aktivität merklich.

=== Katalysatoren der zweiten Generation ===
Auf Ruthenium basierende Katalysatoren zeigen bei vergleichbaren Drücken und niedrigeren Temperaturen eine höhere Aktivität und werden daher als Katalysatoren der zweiten Generation bezeichnet. Ihre Aktivität ist stark vom [[Katalysatorträger]] und den Promotoren abhängig. Als Träger kommen eine Vielzahl von Substanzen infrage, neben [[Kohlenstoff]] sind dies Magnesiumoxid, Aluminiumoxid, [[Zeolithe (Stoffgruppe)|Zeolite]], [[Spinelle]] und [[Bornitrid]].<ref name="YouZhixiong" />

Ruthenium-Aktivkohle-Katalysatoren werden seit 1992 industriell im „KBR Advanced Ammonia Process“ (KAAP, dt. etwa ''weiterentwickelter Ammoniak-Prozess nach Kellogg, Brown und Root'') verwendet.<ref name="rosowski" /> Der Kohlenstoffträger wird teilweise zu [[Methan]] abgebaut, was durch eine spezielle Behandlung des Kohlenstoffs bei 1500&nbsp;°C abgemildert werden kann und so die Lebenszeit zu verlängern hilft. Daneben geht von dem fein dispergierten Kohlenstoff eine [[Explosionsgefahr]] aus. Aus diesen Gründen sowie aufgrund der niedrigen [[Acidität]] hat sich Magnesiumoxid als gute Alternative erwiesen. Träger mit aciden Eigenschaften entziehen dem Ruthenium Elektronen, machen es weniger reaktiv, und sie binden unerwünschterweise Ammoniak an der Oberfläche.<ref name="YouZhixiong" />

=== Katalysatorgifte ===
[[Katalysatorgift]]e reduzieren die Aktivität des Katalysators. Sie sind entweder Bestandteil des Synthesegases oder stammen aus Verunreinigungen des Katalysators selbst, wobei Letzteres keine größere Rolle spielt. Wasser, Kohlenstoffmonoxid, [[Kohlenstoffdioxid]] und Sauerstoff sind temporäre Katalysatorgifte. [[Schwefel]]-, [[Phosphor]]-, [[Arsen]]- und [[Chlor]]-[[Chemische Verbindung|Verbindungen]] sind permanente Katalysatorgifte.<ref name="Appl" />

Chemisch inerte Bestandteile des Synthesegasgemischs wie [[Edelgas]]e oder Methan sind zwar keine Katalysatorgifte im eigentlichen Sinn, sie reichern sich aber durch die Zyklisierung der Prozessgase an und reduzieren so den Partialdruck der [[Reaktand]]en, was wiederum negativ auf die katalytische Umsetzung wirkt.<ref name="roempp" />

== Reaktionstechnik ==
=== Synthesebedingungen ===
{| class="wikitable float-right"
|+Veränderung von K<sub>eq</sub> mit der Temperatur für das Gleichgewicht<br />
N<sub>2</sub> (g) + 3 H<sub>2</sub> (g) ⇌ 2 NH<sub>3</sub> (g)<ref name="brown" />
|-
! Temperatur (°C)
! K<sub>eq</sub>
|-
|align="center" | 300
| 4,34 × 10<sup>−3</sup>
|-
|align="center" | 400
| 1,64 × 10<sup>−4</sup>
|-
|align="center" | 450
| 4,51 × 10<sup>−5</sup>
|-
|align="center" | 500
| 1,45 × 10<sup>−5</sup>
|-
|align="center" | 550
| 5,38 × 10<sup>−6</sup>
|-
|align="center" | 600
| 2,25 × 10<sup>−6</sup>
|}
Die Ammoniaksynthese findet bei einem Mengenverhältnis Stickstoff zu Wasserstoff von 1 zu 3, einem [[Druck (Physik)|Druck]] von 250 bis 350&nbsp;bar, einer [[Temperatur]] von 450 bis 550&nbsp;°C und unter Verwendung von α-Eisen als [[Katalysator]] gemäß folgender Gleichung statt:

:<math> \ \mathrm{N_2} + 3 \ \mathrm{H_2} \quad \rightleftharpoons \quad \ 2 \ \mathrm{NH_3} \quad \quad {\Delta H = -92{,}28 \; \mathrm{kJ}} \ ({\Delta H_{298 K} = -46{,}14 \; \mathrm{kJ/mol}}) </math><ref name="Holleman" />

Die Reaktion ist eine exotherme, unter Volumenverminderung ablaufende Gleichgewichtsreaktion, deren Massenwirkungskonstante K<sub>eq</sub> sich aus folgender Gleichung ergibt:

: <math>K_{eq} = \frac{p^2 \mathrm{(NH_3)}}{p \mathrm{(N_2)}\cdot p^3 \mathrm{(H_2)}}</math> .

Da die Reaktion exotherm ist, verschiebt sich das Gleichgewicht der Reaktion bei niedrigeren Temperaturen auf die Seite des Ammoniaks. Weiterhin entstehen aus vier Volumenteilen der Rohmaterialien zwei Volumenteile von Ammoniak. Gemäß dem [[Prinzip vom kleinsten Zwang]] begünstigt ein hoher Druck daher ebenfalls die Entstehung von Ammoniak. Es ist zudem ein hoher Druck notwendig, um eine ausreichende Oberflächenbedeckung des Katalysators mit Stickstoff zu gewährleisten.<ref name="cornils" />

Der [[Katalysator]] [[Ferrit (Phase)|Ferrit]] (α-Fe) entsteht im Reaktor durch die Reduktion von Magnetit mit Wasserstoff. Dieser ist ab Temperaturen von etwa 400 bis 500&nbsp;°C optimal wirksam. Durch den Katalysator wird die [[Aktivierungsenergie|Aktivierungsbarriere]] für die Spaltung der [[Dreifachbindung]] des Stickstoffmoleküls stark abgesenkt, dennoch sind hohe Temperaturen für eine angemessene Reaktionsgeschwindigkeit erforderlich. Bei der gewählten Reaktionstemperatur liegt das Optimum zwischen dem Zerfall von Ammoniak in die Ausgangsstoffe und der Wirksamkeit des Katalysators.<ref name="Oberstufe" /> Das gebildete Ammoniak wird laufend aus dem Reaktionssystem entfernt. Der Volumenanteil von Ammoniak im Gasgemisch beträgt rund 20 %.

Die inerten Bestandteile, besonders die Edelgase wie [[Argon]], dürfen einen bestimmten Gehalt nicht überschreiten, um den Partialdruck der Reaktanden nicht zu sehr abzusenken. Zur Entfernung der inerten Gasbestandteile wird ein Teil des Gases abgezogen und das Argon in einer [[Gastrennung|Gastrennanlage]] abgeschieden. Die Gewinnung reinen Argons aus dem Kreislaufgas ist mittels Linde-Verfahren möglich.<ref name="ullmann" />

=== Großtechnische Durchführung ===
Moderne Ammoniakanlagen erzeugen mehr als 3000 Tonnen pro Tag in einer Produktionslinie. Das folgende Schema zeigt den Aufbau einer Haber-Bosch-Anlage.

[[Datei:Haber-Bosch.svg|900px|mini|zentriert|{{Farbindex|ecbae7|Primärreformer}} {{Farbindex|4d94e1|Lufteinspeisung}} {{Farbindex|f2c500|Sekundärreformer}} {{Farbindex|cadaeb|CO-Konvertierung}} {{Farbindex|cadaeb|Waschturm}} {{Farbindex|f2c500|Ammoniakreaktor}} {{Farbindex|4d94e1|Wärmetauscher}} {{Farbindex|fffc51|Ammoniakkondensator}}]]

Je nach Herkunft des Synthesegases muss dieses zunächst von Verunreinigungen wie [[Schwefelwasserstoff]] oder organischen Schwefelverbindungen befreit werden, die als Katalysatorgift wirken. Hohe Konzentrationen von Schwefelwasserstoff, die bei Synthesegas aus [[Koks|Schwelkoksen]] vorkommen, werden in einer Nassreinigungsstufe wie dem [[Sulfosolvan-Verfahren]] entfernt, niedrige Konzentrationen durch Adsorption an [[Aktivkohle]].<ref name="leibnitz" /> [[Organoschwefelverbindungen]] werden mittels Druckwechseladsorption zusammen mit Kohlenstoffdioxid nach der CO-Konvertierung abgeschieden.

Zur [[Wasserstoffherstellung|Herstellung von Wasserstoff]] mittels Dampfreformierung reagiert Methan mit Wasserdampf mit Hilfe eines [[Nickel(II)-oxid|Nickeloxid]]-Aluminiumoxid-[[Katalysator]]s im Primärreformer zu [[Kohlenstoffmonoxid]] und [[Wasserstoff]]. Die dafür benötigte Energie, die [[Enthalpie]] Δ''H'', beträgt dabei 206&nbsp;kJ/mol.<ref name="steinborn1" />

:<math>\mathrm{CH_{4(g)}} + \mathrm{H_2O_{(g)}} \quad \rightarrow \quad \mathrm{CO_{(g)}} + \mathrm{3\ H_{2(g)}} \qquad {\Delta H = +206\ \mathrm{kJ/mol}}</math>

Im Primärreformer setzt sich das Methangas nur unvollkommen um. Um die Ausbeute an Wasserstoff zu erhöhen und den Gehalt an inerten Bestandteilen so gering wie möglich zu halten, wird in einem zweiten Schritt im Sekundärreformer das restliche Methangas mit [[Sauerstoff]] zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umgesetzt.<ref name="steinborn1" /> Der Sekundärreformer wird hierzu mit Luft beschickt, wobei auch der für die spätere Ammoniaksynthese erforderliche Stickstoff in das Gasgemisch kommt.

:<math>2\ \mathrm{CH_{4(g)}} + \mathrm{O_{2(g)}} \quad \rightarrow \quad 2\ \mathrm{CO_{(g)}} + 4\ \mathrm{H_{2(g)}} \qquad {\Delta H = -71\ \mathrm{kJ/mol}}</math>

In einem dritten Schritt wird das Kohlenstoffmonoxid zu Kohlenstoffdioxid oxidiert, was als CO-Konvertierung oder [[Wassergas-Shift-Reaktion]] bezeichnet wird.

:<math>\mathrm{CO_{(g)}} + \mathrm{H_2O} \quad \rightarrow \quad \mathrm{CO_{2(g)}} + \mathrm{H_{2(g)}} \qquad {\Delta H = -41\ \mathrm{kJ/mol}}</math>

Kohlenstoffmonoxid und Kohlenstoffdioxid bilden mit Ammoniak [[Carbamate]], die als Feststoffe in kurzer Zeit [[Rohrleitung]]en und [[Apparat (Verfahrenstechnik)|Apparate]] verstopfen würden. Im folgenden Prozessschritt muss daher das Kohlenstoffdioxid aus dem Gasgemisch entfernt werden. Im Gegensatz zu Kohlenstoffmonoxid kann Kohlenstoffdioxid durch eine [[Gaswäsche]] mit [[Triethanolamin]] leicht aus dem Gasgemisch entfernt werden. Das Gasgemisch enthält dann noch Edelgase wie [[Argon]] sowie Methan, die sich [[inert]] verhalten.<ref name="roempp" />

Anschließend wird das Gasgemisch mittels [[Turbokompressor]]en auf den benötigten Betriebsdruck komprimiert. Die entstehende Verdichtungswärme wird mittels [[Wärmeübertrager|Wärmetauschern]] abgeführt; sie wird zur Vorheizung von Rohgasen eingesetzt.

[[Datei:Ammoniakreaktor MS.svg|mini|Moderner Ammoniakreaktor mit Wärmeaustauschermodulen: Das kalte Gasgemisch wird in Wärmeaustauschern durch die frei werdende [[Reaktionsenthalpie]] auf Reaktionstemperatur vorgeheizt und kühlt dabei das entstehende Ammoniak]]

Im Ammoniakreaktor findet die eigentliche Herstellung von Ammoniak statt, wobei die ersten Reaktoren unter dem hohen Druck platzten, da der atomare Wasserstoff im kohlenstoffhaltigen Stahl zu Methan teilrekombinierte und Risse im Stahl erzeugte. Deshalb entwickelte Bosch Rohrreaktoren, bestehend aus einem drucktragenden Stahlrohr, in dem ein Futterrohr aus kohlenstoffarmem Eisen eingezogen wurde, in welches der Katalysator eingefüllt wurde. Durch das innere Stahlrohr diffundierender Wasserstoff entwich nach außen über dünne Bohrungen des äußeren Stahlmantels, den sogenannten Bosch-Löchern.<ref name="Holleman" /> Die Entwicklung wasserstoffbeständiger Chrom-Molybdän-Stähle erlaubte die Konstruktion einwandiger Rohre. Ein Nachteil der Rohrreaktoren war der relativ hohe [[Druckverlust]], der durch [[Verdichter|Kompression]] wieder aufgebracht werden musste.<ref name="forst" />

Moderne Ammoniak-Reaktoren sind als Etagenreaktoren mit geringem Druckverlust ausgeführt, bei denen die Kontakte als Schüttungen auf etwa zehn übereinander befindlichen Etagen verteilt sind. Sie werden von oben nach unten nacheinander vom Gasgemisch durchströmt. Zur Kühlung wird seitlich Kaltgas eingedüst. Ein Nachteil dieses Reaktortyps ist die unvollständige Umsetzung des Kaltgasgemischs im letzten Katalysatorbett.<ref name="forst" />

Alternativ wird zwischen den Katalysatorschichten das Reaktionsgemisch mittels Wärmetauschern gekühlt, wobei das Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch auf Reaktionstemperatur vorgeheizt wird. Reaktoren dieses Typs weisen drei Katalysatorbetten auf. Neben einer guten Temperaturkontrolle besteht bei diesem Reaktortyp der Vorteil einer besseren Umsetzung der Rohstoffgase gegenüber Reaktoren mit Kaltgaseinspeisung. Im Uhde-Reaktor<ref>{{Internetquelle |url=https://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/de/produkte-und-services/duengemittelanlagen/ammonia-plants-by-uhde/ammonia-plants-500mtpd/ammoniakkonverter |titel=Ammoniakkonverter – Düngemittelanlagen |sprache=de |abruf=2021-10-11}}</ref> werden die Katalysatorbetten sogar radial durchströmt, was den Druckverlust des Reaktors weiter verringert.

Das Reaktionsprodukt wird für eine maximale Ausbeute laufend entfernt. Dazu wird das Gasgemisch von 450&nbsp;°C in einem Wärmetauscher mittels Wasser, frisch zugeführten Gasen und andere Prozessströme abgekühlt. Dabei kondensiert auch das Ammoniak und wird in einem Druckabscheider abgetrennt. Die noch nicht umgesetzten [[Reaktant]]en Stickstoff und Wasserstoff werden mittels eines Kreislaufgasverdichters wieder auf Reaktionsdruck verdichtet, mit Frischgas ergänzt und dem Reaktor zugeführt.<ref name="forst" /> In einer nachfolgenden Destillation wird der Ammoniak noch gereinigt.

== Produkte ==
[[Datei:Ammoniak-Anlage retusche.jpg|mini|Haber-Bosch-Anlage der heutigen [[LAT Nitrogen Linz]], 2007]]

Der Großteil des jährlich benötigten Ammoniaks wird mit dem Haber-Bosch-Verfahren erzeugt.<ref name="heffer" /> Die Jahresproduktion betrug 2017 etwa 150&nbsp;Millionen Tonnen mit [[China]], [[Indien]] und [[Russland]] als größten Produzenten.<ref name="usgs" /> Aufgrund des hohen Energiebedarfs bei der Herstellung des benötigten reinen Wasserstoffs entfallen etwa 1 % des [[Weltenergiebedarf]]s auf das Haber-Bosch-Verfahren. Die dabei erzeugten Kohlenstoffdioxidemissionen betragen etwa drei bis fünf&nbsp;Prozent des globalen Ausstoßes, wobei ein Teil zur Erzeugung von Harnstoff genutzt wird.<ref name="lecompte" /> Heutzutage haben, zumindest bei der Bevölkerung der Industrienationen, etwa 40&nbsp;Prozent des im menschlichen Körper enthaltenen Stickstoffs schon einmal an der Haber-Bosch-Synthese teilgenommen.<ref name="crews" />

Das Primärprodukt Ammoniak wird zu etwa 80&nbsp;Prozent zu Dünger weiterverarbeitet, 20&nbsp;Prozent entfallen auf andere Produkte. Die wichtigsten auf Ammoniak basierenden [[Stickstoffdünger]] sind neben den gasförmigen und wässrigen Lösungen von Ammoniak das [[Ammoniumnitrat]] und [[Harnstoff]].<ref name="erisman" />

Die Produktion von Harnstoff in einem Hochdruckverfahren geht auf Carl Bosch und Wilhelm Meiser zurück und wurde 1922 von der BASF erstmals in Betrieb genommen.<ref name="bosch1" /> Im Jahr 2010 betrug das Produktionsvolumen 130&nbsp;Millionen Tonnen.<ref name="bertau" /> Die gesamte Weltproduktion von [[Salpetersäure]] erfolgt durch katalytische Verbrennung nach dem [[Ostwaldverfahren]]. Das Verfahren geht auf einen Vorlesungsversuch zurück, bei dem ein glühender [[Platin]]draht in ein Ammoniak-Luft-Gemisch getaucht wird, um [[nitrose Gase]] zu erzeugen.<ref name="steinborn" /> Die Weltjahresproduktion betrug 80&nbsp;Millionen Tonnen im Jahr 2009.<ref name="bertau" /> Das meistproduzierte Folgeprodukt der Salpetersäure ist [[Ammoniumnitrat]]; die Jahresproduktion betrug 2002 etwa 39&nbsp;Millionen Tonnen, von denen etwa 80&nbsp;Prozent zu Düngemitteln und 20&nbsp;Prozent zu Sprengstoffen verarbeitet werden.<ref name="bertau" /> Weitere Folgeprodukte wie [[Kaliumnitrat]], partiell oder vollständig mit Ammoniak neutralisierte Phosphate wie [[Ammoniumdihydrogenphosphat|Mono]]-, [[Diammoniumhydrogenphosphat|Di]]- und [[Polyphosphate|Ammoniumpolyphosphate]], [[Ammoniumsulfat]] sowie [[Ammoniumnitrat-Harnstoff-Lösung]] sind häufig eingesetzte Dünger.<ref name="barker" />

Etwa fünf Prozent der Ammoniakproduktion werden zur Herstellung von Sprengstoffen verwendet.<ref name="bertau" /> Die in vielen Sprengstoffen vorkommenden [[Nitrogruppe|Nitro-]] und [[Nitrate|Nitratgruppen]] basieren letztlich auf Ammoniak, das nach dem Haber-Bosch-Verfahren gewonnen wurde, darunter sind wichtige Sprengstoffe wie [[Trinitrotoluol]] und [[Nitroglycerin]].<ref name="akhavan" /> Ungefähr zehn&nbsp;Prozent der Ammoniakproduktion wird für die Herstellung stickstoffhaltiger Verbindungen wie [[Nitrile]]n, [[Amine]]n und [[Säureamide]]n verwendet.<ref name="bertau" /> Die Palette der [[Folgeprodukt]]e ist äußerst vielfältig und reicht von [[Harnstoffharz]]en, [[Sulfonamide]]n über [[Nitrobenzol]] und dessen Folgeprodukt [[Anilin]] in die Polyurethan- und Farbstoffchemie, [[Caprolactam]] für die Produktion von Polymeren und bis hin zu Raketentreibstoffen wie [[Hydrazin]].<ref name="holleman1" />

Ein wichtiges Nebenprodukt des Verfahrens ist darüber hinaus die [[Kohlensäure]], da das beim Haber-Bosch-Verfahren entstehende Kohlendioxid relativ rein anfällt und nicht aufwändig weiterverarbeitet werden muss. Das Kohlendioxid wird in Wasser gelöst als Kohlensäure in der Getränkeindustrie genutzt.<ref name="bundestag1" />

== Mechanismus ==
=== Elementarschritte ===
[[Datei:Prof Ertl-Portrait.jpg|mini|hochkant|Gerhard Ertl, 2007, erhielt für die Aufklärung des Mechanismus den [[Nobelpreis für Chemie]]]]

Der Mechanismus der Ammoniaksynthese unterteilt sich in die folgenden sieben Schritte:
# Transport der Edukte aus der Gasphase durch die Grenzschicht an die Oberfläche des Kontakts
# Porendiffusion zum Reaktionszentrum
# [[Adsorption]] der Reaktanten
# Reaktion
# [[Desorption]] der Produkte
# Rücktransport der Produkte durch das Porensystem an die Oberfläche
# Rücktransport ins Gasvolumen.

Wegen der Schalenstruktur des Katalysators sind die beiden ersten und letzten Schritte schnell gegenüber der Adsorption, der Reaktion und der Desorption. Austauschreaktionen zwischen Wasserstoff und [[Deuterium]] an Haber-Bosch-Katalysatoren finden in messbarer Geschwindigkeit noch bei Temperaturen von −196&nbsp;°C statt; auch der Austausch zwischen Deuterium und Wasserstoff am Ammoniakmolekül findet bereits bei [[Raumtemperatur]] statt. Da beide Schritte schnell verlaufen, können diese nicht geschwindigkeitsbestimmend für die Ammoniaksynthese sein.<ref name="moore" /> Aus verschiedenen Untersuchungen ist bekannt, dass der [[Geschwindigkeitsbestimmender Schritt|geschwindigkeitsbestimmende Schritt]] der Ammoniaksynthese die Dissoziation des Stickstoffs ist.<ref name="Appl" />

Die Adsorption des Stickstoffs an der Katalysatoroberfläche hängt neben den Reaktionsbedingungen von der mikroskopischen Struktur der Katalysatoroberfläche ab. Eisen weist verschiedene [[Kristallfläche]]n auf, deren Reaktivität höchst unterschiedlich ist. Die [[Millersche Indizes|Fe(111)]]- und Fe(211)-Flächen weisen die mit Abstand höchste Aktivität auf. Die Erklärung dafür ist, dass nur diese Flächen so genannte C7-Plätze aufweisen – das sind Eisenatome mit sieben nächsten Nachbarn.<ref name="Appl" />

Die dissoziative Adsorption des Stickstoffs auf der Oberfläche folgt folgendem Schema, wobei S* ein Eisenatom an der Oberfläche des Katalysators bedeutet:<ref name="max" />

: N<sub>2</sub> → S<sup>*</sup>–N<sub>2</sub> (γ-Spezies) → S*–N<sub>2</sub>–S<sup>*</sup> (α-Spezies) → 2 S*–N (β-Spezies, ''Oberflächennitrid'')

Die Adsorption von Stickstoff ähnelt der Chemisorption des Kohlenstoffmonoxids. Auf einer Fe(111)-Fläche führt die Adsorption von Stickstoff zunächst zu einer adsorbierten γ-Spezies mit einer Adsorptions-Energie von 24&nbsp;kJmol<sup>−1</sup> und einer N-N-[[Streckschwingung]] von 2100&nbsp;cm<sup>−1</sup>. Da der Stickstoff zu Kohlenstoffmonoxid [[isoelektronisch]] ist, adsorbiert er in einer [[On-end-Konfiguration]], in der das Molekül über ein Stickstoffatom senkrecht zur Metalloberfläche gebunden ist.<ref name="Ertl1982adsorption" /><ref name="Ertl1982potassium" /><ref name="Appl" /> Dies wurde durch [[Photoelektronenspektroskopie]] bestätigt.<ref name="ErtlSolidSurfaces" />

[[Ab initio|Ab-initio]]-[[Molekülorbitaltheorie|MO]]-Rechnungen haben gezeigt, dass neben der [[Molekülorbitaltheorie#σ-Orbital|σ-Hinbindung]] des freien Elektronenpaars des Stickstoffs zum Metall eine π-Rückbindung aus den [[d-Orbital]]en des Metalls in die π*-Orbitale des Stickstoffs vorliegt, welche die Eisen-Stickstoff-Bindung stärkt. Der Stickstoff im α-Zustand ist mit 31&nbsp;kJmol<sup>−1</sup> stärker gebunden. Die dadurch resultierende N-N-Bindungsschwächung konnte durch eine Verringerung der Wellenzahlen der N-N-Streckschwingung auf 1490&nbsp;cm<sup>−1</sup> experimentell belegt werden.<ref name="Ertl1982potassium" />

Ein weiteres Aufwärmen der Fe(111)-Fläche, die von α-N<sub>2</sub> bedeckt ist, führt sowohl zu [[Desorption]] als auch zum Auftauchen einer neuen Bande bei 450&nbsp;cm<sup>−1</sup>. Diese stellt eine Metall-N-Schwingung dar, den β-Zustand. Ein Vergleich mit Schwingungsspektren von Komplexverbindungen lässt den Schluss zu, dass das N<sub>2</sub>-Molekül „side-on“ gebunden ist, mit einem N-Atom in Kontakt zu einem C7-Platz. Diese Struktur wird als „Oberflächennitrid“ bezeichnet. Das Oberflächennitrid ist sehr stark an die Oberfläche gebunden.<ref name="ErtlSolidSurfaces" /> Daran addieren sich schnell Wasserstoffatome (H<sub>ads</sub>), die auf der Katalysatoroberfläche sehr beweglich sind.

Es bilden sich [[Infrarotspektroskopie|infrarotspektroskopisch]] nachgewiesene Oberflächenimide (NH<sub>ad</sub>), Oberflächenamide (NH<sub>2,ad</sub>) und Oberflächen-Ammoniakate (NH<sub>3,ad</sub>), Letztere zerfallen unter NH<sub>3</sub>-Abgabe (Desorption).<ref name="Holleman" /> Die einzelnen Moleküle wurden mit [[Röntgenphotoelektronenspektroskopie]] (XPS), [[Hochauflösende Elektronenenergieverlustspektroskopie|Hochauflösender Elektronenenergieverlustspektroskopie]] (HREELS) und IR-Spektroskopie identifiziert beziehungsweise zugeordnet.

: [[Datei:KatNH3.svg|mini|Reaktionsschema]]

Auf Basis dieser experimentellen Befunde kann ein Reaktionsschema erstellt werden, das aus den folgenden Einzelschritten besteht:

: H<sub>2</sub> + S* ⇌ 2 H<sub>ad</sub>
: N<sub>2</sub> + S* ⇌N<sub>2,ad</sub>
: N<sub>2,ad</sub>⇌ 2 N<sub>ad</sub>
: N<sub>ad</sub> + H<sub>ad</sub> ⇌ NH<sub>ad</sub>
: NH<sub>ad</sub> + H<sub>ad</sub> ⇌ NH<sub>2,ad</sub>
: NH<sub>2,ad</sub> + H<sub>ad</sub> ⇌ NH<sub>3,ad</sub>
: NH<sub>3,ad</sub> ⇌ NH<sub>3</sub> + S*

So wie bei jedem Haber-Bosch-Katalysator ist bei Ruthenium-Aktivkohle-Katalysatoren der geschwindigkeitsbestimmende Schritt die Stickstoff-Dissoziation. Das aktive Zentrum ist hierfür bei Ruthenium ein sogenannter B<sub>5</sub>-Platz, einer [[Koordinationschemie|5-fach koordinierten]] Position an der Ru(0001)-Oberfläche, an der zwei Ruthenium-Atome eine Stufenkante mit drei Ruthenium-Atomen der Ru(0001)-Oberfläche bilden.<ref name="gavnholt" /> Die Zahl an B<sub>5</sub>-Stelle ist abhängig von Größe und Form der Ruthenium-Partikel, dem Ruthenium-Präkursor und der verwendeten Menge an Ruthenium.<ref name="YouZhixiong" /> Die verstärkende Wirkung des basischen Trägers hat die gleiche Wirkung wie der Promotoreffekt von [[Alkalimetall]]en, der hier ebenso wie beim Eisenkatalysator zum Tragen kommt.<ref name="YouZhixiong" />

=== Energiediagramm ===
[[Datei:Potential energy diagram for ammonia synthesis.svg|mini|hochkant=1.5|Energiediagramm]]

Mit dem Wissen um die [[Enthalpie|Reaktionsenthalpie]] der einzelnen Schritte kann ein [[Energiediagramm]] erstellt werden. Mithilfe des Energiediagramms lassen sich [[Homogenität (Physik)|homogene]] und [[Heterogenität|heterogene]] Reaktion vergleichen: Aufgrund der hohen Aktivierungsenergie der Dissoziation von Stickstoff ist die homogene [[Gasphasenreaktion]] nicht durchführbar. Der [[Katalysator]] umgeht dieses Problem, da der [[Energiegewinn]], der aus der [[Chemische Bindung|Bindung]] von Stickstoffatomen an die Katalysatoroberfläche resultiert, die notwendige Dissoziationsenergie überkompensiert, sodass die Reaktion schlussendlich [[exotherm]] ist. Trotzdem bleibt die dissoziative Adsorption von Stickstoff der geschwindigkeitsbestimmende Schritt: nicht wegen der Aktivierungsenergie, sondern vor allem aufgrund des ungünstigen [[Arrhenius-Gleichung|präexponentiellen Faktors]] der Geschwindigkeitskonstante. Die [[Hydrierung]] ist zwar endotherm, diese Energie kann jedoch leicht von der Reaktionstemperatur (etwa 700&nbsp;K) aufgebracht werden.<ref name="Appl" />

== Verfahrensvarianten ==
Seit der Einführung des Haber-Bosch-Verfahrens ist die Synthese von Ammoniak aus Luftstickstoff einer der weltweit wichtigsten chemischen Herstellungsprozesse geworden. Die Entwicklung von Verfahrensvarianten zu Beginn des 20. Jahrhunderts diente oft der Umgehung von Patentansprüchen der BASF. Da das Verfahren einen signifikanten [[Endenergieverbrauch|Energieverbrauch]] erfordert, konzentrierten sich spätere Entwicklungen auf die [[Energieeffizienz]]. So betrug der durchschnittliche Energieverbrauch pro Tonne Ammoniak im Jahr 2000 noch etwa 37,4&nbsp;GJ, während das thermodynamisch bedingte Minimum bei 22,4&nbsp;Gigajoule pro Tonne liegt.<ref name="ruddock" />

=== Casale-Verfahren ===
Das [[Casale-Verfahren]] wurde zu Beginn der 1920er Jahre von [[Luigi Casale]] entwickelt. Das Verfahren verwendet einen Eisenkatalysator, arbeitet aber gegenüber dem Haber-Bosch-Verfahren mit einem Druck von etwa 800 bis 1000&nbsp;bar.<ref name="kent" /> Der Reaktor war dadurch kleiner und erlaubte durch einen internen, zentralen Wärmetauscher und die axiale Eindüsung von kaltem Gas eine gute Temperaturkontrolle.<ref name="casale" />

Der hohe Betriebsdruck erlaubte die direkte Kondensation von Ammoniak ohne Absorption in Wasser. Bis 1923 errichtete Casale in Europa und den Vereinigten Staaten 15 Anlagen mit einer Kapazität von etwa 80.000 Tonnen Ammoniak pro Jahr, 1927 betrug die installierte Kapazität bereits 320.000 Tonnen pro Jahr.<ref name="casale2" /> Zu dieser Zeit war Casale der einzige Wettbewerber der BASF. Insgesamt wurden mehr als 200 Ammoniakanlagen auf der Basis der ersten Technologie-Generation von Casale weltweit errichtet.<ref name="casale2" />

=== Uhde dual-pressure process ===
Anfang 2000 entwickelte Uhde einen neuen Prozess, der Anlagenkapazitäten von 3300 Tagestonnen und mehr ermöglicht.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.thyssenkrupp-industrial-solutions.com/de/produkte-und-services/duengemittelanlagen/ammonia-plants-by-uhde/ammonia-plants-500mtpd/das-zweidruckverfahren-von-uhde |titel=Das Zweidruckverfahren von Uhde – Düngemittelanlagen |sprache=de |abruf=2021-10-11}}</ref> Die entscheidende Innovation des Zweidruckverfahrens ist ein nur einmal durchströmter Syntheseloop bei mittlerem Druck in Reihe mit einem konventionellen Hochdrucksynthesekreislauf. Die erste Anlage dieser Art wurde 2004 in Al-Jubail, Saudi-Arabien, erfolgreich in Betrieb genommen. Weitere Anlagen dieses Typs befinden sich in Ma’aden, Saudi-Arabien, und CFI Donaldsonville, USA.

=== Fauser-Verfahren ===
Das [[Fauser-Verfahren]], benannt nach dem italienischen [[Elektroingenieur]] [[Giacomo Fauser]], entsprach weitgehend dem Haber-Bosch-Verfahren, nutzte jedoch als Wasserstoffquelle die Elektrolyse von Wasser.<ref name="fauser" /> Die Fauser-Zelle nutzte 27%ige [[Kalilauge]] als [[Elektrolyt]] und von [[Asbest]] umschlossene [[Anode]]n und [[Kathode]]n, die eine gute Trennung der entstehenden Gase sicherstellte. Das Verfahren wurde Anfang der 1920er Jahre von [[Montecatini (Unternehmen)|Montecatini]] eingeführt.<ref name="billiter" />

=== Mont-Cenis-Verfahren ===
Das [[Mont-Cenis-Verfahren]] wurde von [[Friedrich Uhde]] entwickelt und 1926 erstmals auf der [[Zeche Mont Cenis]] in Betrieb genommen. Das Verfahren, auch Niederdruckverfahren genannt, arbeitet bei Drücken von 80 bis 90&nbsp;bar und einer Temperatur von 430&nbsp;°C. Der verwendete Katalysator war ein Eisencyanid-Aluminiumoxid-Katalysator, der aktiver als der von Mittasch entwickelte Katalysator war. Die milderen Prozessbedingungen erlaubten den Einsatz preiswerterer Stähle für die Konstruktion der Reaktoren.<ref name="neumann" />

=== AMV-Verfahren ===
[[Imperial Chemical Industries]] entwickelte 1982 das [[AMV-Verfahren]] mit einem hochaktiven Eisen-Cobalt-Katalysator, der bei einem Reaktionsdruck von 100&nbsp;bar und einer Temperatur von 380&nbsp;°C arbeitet.<ref name="liu" /> Cobalt ist selbst kaum katalytisch aktiv, sondern dient der Stabilisierung des Kontakts durch Ausbildung von [[Spinell]]-Phasen mit dem Aluminiumoxid. Außerdem entstehen bei der Reduktion des Kontakts kleinere Eisenkristallite höherer Aktivität.<ref name="jennings" />

Eine Weiterentwicklung des Verfahrens ist das 1988 von ICI entwickelte LCA-Verfahren (Leading Concept Ammonia), das für geringere Durchsätze bei gleichem Energieeinsatz konzipiert ist. Das Kohlenstoffdioxid, das in einer einstufigen Wassergas-Shift-Reaktion anfällt, wird durch [[Druckwechsel-Adsorption]] entfernt.<ref name="maxwell" />

=== Kellogg-Advanced-Ammonia-Prozess ===
1992 entwickelte M. W. Kellog einen Ruthenium-auf-Aktivkohle-Katalysator, der bei niedrigeren Drücken und Temperaturen arbeitet, unter dem Namen [[Kellogg-Advanced-Ammonia-Prozess]] (KAAP).<ref name="rhodes" /> Der benötigte Druck beträgt durch den aktiveren, aber teueren Rutheniumkatalysator nur noch etwa 40&nbsp;bar. Als Promotoren werden [[Alkalimetalle|Alkali]]- oder [[Erdalkalimetalle]] wie [[Caesium]] und [[Barium]] verwendet.<ref name="bielawa" /> Der Katalysator soll etwa 10- bis 20-mal so aktiv sein wie der herkömmliche Eisenkatalysator.

=== Solid-State Ammonia Synthesis ===
Bei der [[Solid-State Ammonia Synthesis]] (SSAS, Festkörper-Ammoniaksynthese), wird durch direkte elektrolytische Synthese von Ammoniak aus Wasser und Stickstoff unter Einsatz von elektrischer Energie der Umweg über Wasserstofferzeugung aus Wasser umgangen.<ref name="lan" /> Der Wirkungsgrad ist dadurch theoretisch deutlich höher, in der Laborpraxis jedoch noch weitgehend unbefriedigend.<ref name="PMID31480364">I. Garagounis, A. Vourros, D. Stoukides, D. Dasopoulos, M. Stoukides: ''Electrochemical Synthesis of Ammonia: Recent Efforts and Future Outlook.'' In: ''Membranes.'' Band 9, Nummer 9, August 2019, {{DOI|10.3390/membranes9090112}}, PMID 31480364, {{PMC|6780605}} (Review).</ref>
Die Bildung von Ammoniak erfolgt elektrochemisch nach folgender Gleichung:

:<math>\ 6\ \mathrm{H_3O^+} + \mathrm{N_2} + 6\ \mathrm{e^-} \quad \rightarrow \quad 2\ \mathrm{NH_3 + 6\ H_2O}</math>

Die Bruttogleichung der Reaktion ist:

:<math>\ 2\ \mathrm{N_2} + 6\ \mathrm{H_2O} \quad \rightarrow \quad 4\ \mathrm{NH_3} + 3\ \mathrm{O_2}</math>
Das Verfahren ist noch in der Entwicklung. Es gibt derzeit (Stand 2021) noch keine Produktionsanlage.

== Literatur ==
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   |Sammelwerk=[[Chemie in unserer Zeit]]
   |Band=33
   |Nummer=6
   |Datum=1999
   |Seiten=359–364
   |DOI=10.1002/ciuz.19990330607}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Haber process|Haber-Bosch-Prozess}}

== Einzelnachweise ==
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<ref name="bielawa">Hubert Bielawa, Olaf Hinrichsen, Alexander Birkner, Martin Muhler: ''The Ammonia-Synthesis Catalyst of the Next Generation: Barium-Promoted Oxide-Supported Ruthenium.'' In: ''Angewandte Chemie International Edition.'' 40, 2001, S.&nbsp;1061–1063, {{DOI|10.1002/1521-3773(20010316)40:6<1061::AID-ANIE10610>3.0.CO;2-B}}.</ref>
<ref name="lan">Rong Lan, John T. S. Irvine, Shanwen Tao: ''Synthesis of ammonia directly from air and water at ambient temperature and pressure.'' In: ''Scientific Reports.'' 3, 2013, [[doi:10.1038/srep01145]].</ref>
<ref name="bundestag1">Wissenschaftliche Dienste Deutscher Bundestag: [https://www.bundestag.de/resource/blob/928746/e3972b3e022480ba08bd92e8f06dfac7/WD-8-080-22-pdf-data.pdf ''Sachstand Kohlendioxid für die Getränkeindustrie''] vom 6. Dezember 2022</ref>
</references>
{{Exzellent|20. Juli 2016|156266022}}

[[Kategorie:Chemisch-technisches Verfahren]]
[[Kategorie:Fritz Haber]]
[[Kategorie:Carl Bosch]]

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