Ureum is een veelgebruikte kunstmeststof die meestal gemaakt wordt uit ammoniak en CO₂ met thermische katalyse. Door de benodigde hoge temperaturen heeft dit proces echter ook een hoge CO₂-emissie. Een alternatieve methode is elektrokatalyse. Een team onderzoekers van de TU Eindhoven gebruikt nu elektrokatalyse om afvalproducten nitraat en CO₂ te combineren tot ureum, een complex molecuul dat waardevoller is voor de industrie dan ammoniak. Ze publiceerden hun resultaten in Communications Chemistry.

De onderzoekers bestudeerden een bimetallisch systeem van CuO_xZnO_y met verschillende CuO en ZnO verhoudingen. Een 50-50 verhouding CuO en ZnO bleek de hoogste activiteit en selectiviteit te geven voor ureumproductie. Volgens auteur Dimitra Anastasiadou was de analyse van het gegenereerde ureum een grote uitdaging. ‘Het was een waterig medium met koolstofverbindingen en stikstofverbindingen dat ik met uv-vis bestudeerde. Om de hoeveelheid ureum te analyseren moest ik eerst de hoeveelheid ammoniak in het systeem bepalen, dan een enzym gebruiken om het ureum weer om te zetten in ammoniak en vervolgens dezelfde bepaling te doen, zodat ik uit het verschil de hoeveelheid product kon berekenen. Het was efficiënter geweest als ik een krachtigere NMR had kunnen gebruiken, maar ik moest het zo oplossen.’

Volgens Anastasiadou is hun proces niet bedoeld om het Haber-Bosch proces voor ammoniakproductie te vervangen. ‘Dit is meer geschikt voor specifieke locaties waar zich akkerbouw bevindt vlakbij industrie of afvalwater met een hoge nitraatconcentratie. De uitdaging is dan om het afvalwater te filteren op andere metalen of nutriënten, omdat die de katalysator kunnen vergiftigen. Daarnaast heb je een elektrochemische cel voor industriële applicaties nodig om de efficiëntie te verbeteren.’ Voordat ze naar dat soort praktische toepassingen kunnen kijken, moeten de onderzoekers stabiliteitstesten doen en een scheidingsproces kiezen voor het uiteindelijke mengsel van ureum en ammoniak.

De onderzoekers focussen voorlopig op het begrijpen van de katalysator. ‘We richten ons op waarom en hoe het koper- en zinkoxide de reactie katalyseren. Werkt de combinatie beter omdat we twee metalen combineren of is er een synergetisch effect? Wat is de actieve fase en wat zijn de tussenproducten? We werken nu aan een vervolgpublicatie waarin we dieper ingaan op waarom deze katalysator werkt en wat het reactiepad is.’

Anastasiadou et al. (2023) Communications Chemistry https://doi.org/10.1038/s42004-023-01001-5