Belangrijke stap richting groene chemie met katalysator voor schonere ammoniakproductie

Ammoniak is een belangrijk ingrediënt voor de productie van kunstmest, maar kan ook dienen voor de opslag van groene waterstof. Om ammoniak te maken zijn echter hoge temperaturen en/of dure metaalkatalysatoren nodig. Onderzoekers uit Utrecht en Eindhoven zijn er nu in geslaagd een katalysator te maken die bij lagere temperaturen werkt en alleen de veel voorkomende elementen koolstof en kalium bevat. Daarmee heeft deze nieuwe katalysator de potentie om energie en kosten te besparen. Het onderzoeksteam onder leiding van Peter Ngene en Petra de Jongh van de Universiteit Utrecht publiceert de resultaten vandaag in Nature Catalysis.

“Ammoniak is een ongelooflijk belangrijke grondstof”, zegt prof. Petra de Jongh. “Het is de basis voor de productie van kunstmest, en wordt in zulke grote hoeveelheden gemaakt dat het verantwoordelijk is voor ruim twee procent van ons totale energieverbruik wereldwijd. Daarom kan elke verbetering in dit proces veel betekenen voor het verminderen van CO2-uitstoot. Bovendien wordt ammoniak gezien als een van de belangrijkste componenten in de waterstofeconomie: je kunt waterstof omzetten in ammoniak, een vloeistof die makkelijk op te slaan en te vervoeren is, en de waterstof vervolgens vrijgeven wanneer je die nodig hebt.”

Stikstof splitsen

Ammoniakmoleculen bestaan uit stikstof- en waterstofatomen. Maar om ammoniak te maken kun je niet zomaar stikstof en waterstof mengen. “Om stikstof om te zetten in andere verbindingen, zoals ammoniak, moeten de moleculen worden gesplitst in atomen”, legt Peter Ngene uit. “En de atomen in een stikstofmolecuul hebben een zeer sterke drievoudige binding die je niet makkelijk verbreekt. Wij waren bezig met experimenten met relatief lichte elementen, die traditioneel niet worden gezien als kansrijke katalysatoren. Maar bij het testen van materialen voor waterstofopslag kwamen we erachter dat sommige van deze lichte elementen krachtig genoeg zijn om stikstofmoleculen te splitsen en gemakkelijk ammoniak te vormen.”

Industriële toepassingen

De nieuwe katalysator is kansrijk voor industriële toepassingen. Terwijl voor eerdere ammoniakreacties temperaturen van 400-500 °C nodig waren, werkt de nieuwe katalysator al bij 250-400 °C. Daarmee is hij even efficiënt als katalysatoren op basis van zeldzame en dure metalen zoals ruthenium, terwijl de nieuwe katalysator is gemaakt van de veel voorkomende elementen koolstof en kalium. “Onze belangrijkste volgende stap is om de katalysator beter te begrijpen, te optimaliseren en op te schalen”, zegt prof. De Jongh. “We gaan binnenkort in een Europees consortium samen met de chemische industrie aan de slag met die uitdaging.”