Japanse wetenschappers hebben naar eigen zeggen een belangrijke doorbraak bereikt in de zoektocht naar een energie-efficiënt alternatief voor het Haber-Boschproces.
Het Haber-Boschproces, ontwikkeld in het begin van de twintigste eeuw, is de huidige industriële standaard voor de productie van ammoniak, een cruciaal ingrediënt in kunstmest. Het proces combineert stikstof uit de lucht met waterstofgas onder extreem hoge druk (tot 300 bar) en temperatuur (tot 450 graden Celsius). Hierbij wordt een ijzerhoudende katalysator (een stof die de reactie versnelt zonder zelf verbruikt te worden) gebruikt. Hoewel dit proces een doorbraak betekende voor de landbouw, waardoor wereldwijd veel meer voedsel geproduceerd kon worden, is het zeer energie-intensief en afhankelijk van fossiele brandstoffen. Daardoor draagt het aanzienlijk bij aan de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen.
De nieuwe methode
De nieuw ontdekte methode voor de productie van ammoniak, gepubliceerd in het vakblad Nature Chemistry, werkt bij veel lagere temperaturen en gebruikt een unieke katalysator zonder overgangsmetalen. De kern van de uitvinding is een kristallijn materiaal met de wat onhandige naam barium-silicium-orthosilicaat-oxynitride-hydride. Dit materiaal heeft een bijzondere kristalstructuur waarin zuurstofatomen zijn vervangen door waterstof- en stikstofionen. Deze vervangingen creëren microscopische leegtes in het kristalrooster, zogenaamde anion-vacatures. Dit zijn lege plekjes waar normaal gesproken een negatief geladen deeltje, het anion, zou zitten, die essentieel zijn voor het katalytische proces.
Het werkingsmechanisme
Deze anion-vacatures functioneren als reactiecentra waar stikstofmoleculen uit de lucht kunnen worden klaargemaakt voor een chemische reactie. In tegenstelling tot het traditionele Haber-Boschproces, waar hoge temperaturen en druk nodig zijn om de sterke drievoudige binding in stikstof te verbreken, gebeurt dit in het nieuwe materiaal op een fundamenteel andere manier.
De onderzoekers ontdekten dat de anion-vacatures zich gedragen als elektronenrijke centra die stikstofmoleculen kunnen vasthouden en activeren. Deze activering verzwakt de binding tussen de stikstofatomen, waardoor ze gemakkelijker kunnen reageren met waterstof om ammoniak te vormen. Opmerkelijk is dat dit proces plaatsvindt bij slechts 300 graden Celsius, in tegenstelling tot de 450 graden Celsius die in het Haber-Boschproces nodig zijn.
Verbetering van de prestaties
Het team verbeterde de prestaties verder door kleine ruthenium-nanodeeltjes toe te voegen aan het materiaal. Verrassend genoeg bleek dat ruthenium niet direct betrokken is bij het splitsen van de stikstofmoleculen, zoals bij conventionele katalysatoren vaak het geval is. In plaats daarvan bevordert het de vorming van extra anion-vacatures op het grensvlak (het contactgebied tussen twee verschillende materialen) tussen het ruthenium en het onderliggende materiaal, vergelijkbaar met een turbo die op een motor wordt geplaatst.
Prestaties veel beter dan andere alternatieve processen
In vergelijking met andere milde methoden die bij ongeveer 300 graden Celsius werken, presteert de nieuwe katalysator bijzonder goed. Terwijl veel alternatieve processen onder deze omstandigheden doorgaans een ammoniakproductie leveren van rond de 10 tot 20 millimol per gram per uur, bereikt deze nieuwe methode een indrukwekkende 40,1 millimol per gram per uur. Millimol per gram per uur is een maat voor de hoeveelheid ammoniak die per uur wordt geproduceerd per gram katalysator; 1 millimol is 1/1000e van een mol, de standaard eenheid in de scheikunde. Deze hogere productie duidt op een veel efficiëntere activering van stikstofmoleculen, wat essentieel is voor de ammoniaksynthese. Bovendien bleef de activiteit van de katalysator stabiel gedurende meer dan 170 uur, wat meteen aantoont dat het systeem ook langdurig kan werken.
Nu nog opschalen
De implicaties zijn verstrekkend. Het huidige Haber-Boschproces verbruikt ongeveer 2 procent van de wereldwijde energieproductie en is verantwoordelijk voor ongeveer 1 procent van de CO2-uitstoot. Een energie-efficiënter alternatief zou daarom een significante bijdrage kunnen leveren aan het verduurzamen van de voedselproductie. De volgende uitdaging is het opschalen van deze laboratoriumontdekking naar industriële schaal. Hoewel er nog verschillende technische hindernissen moeten worden overwonnen, biedt deze fundamenteel nieuwe benadering van ammoniaksynthese veelbelovende mogelijkheden voor een duurzamere toekomst.
