Ammoniak (NH₃) vormt de basis voor stikstof-gebaseerde kunstmeststoffen, waarvan er jaarlijks 180 miljoen ton wordt gemaakt. Efficiënte synthese is daarom essentieel. Waar dat nu nog voornamelijk via het Haber-Bosch-proces gaat, zoeken onderzoekers inmiddels ook naar alternatieve methoden zonder fossiele brandstoffen. De elektrokatalytische reductie van stikstofgas is zo’n alternatief, maar tot nu toe nog niet efficiënt genoeg omdat de katalysator vervuild raakt met o.a. NO_x. Davide Ripepi, Herman Schreuders en Fokko Mulder van de Technische Universiteit Delft maakten een verbeterde methode veel efficiënter.

Eerder onderzoek liet namelijk al zien hoe je de katalysatorvervuiling kunt voorkomen met een waterstof-permeabele nikkelelektrode. Het systeem is dan zo gevormd dat je twee afgesloten delen hebt, waar bij het ene deel de wateroxidatiereactie plaatsvindt als bron voor elektronen. Op de grens van het andere deel staat water juist een waterstofatoom af, dat dóór de elektrode heen beweegt naar het deel waar alleen stikstof (en geen zuurstof) aanwezig is en adsorbeert aan de elektrode. De doorgedrongen waterstof kan daar in alle rust met stikstof reageren tot ammoniak.

Bij zo goed als standaard temperatuur en druk lukt deze methode, maar de prestatie blijft nog ver onder een bruikbaar niveau. Daarom speelden Mulder en collega’s met de temperatuur. Ze zagen veelbelovende resultaten toen ze de temperatuur opvoerden tot 120 °C. Dat zorgt namelijk voor een hogere NH₃-synthesesnelheid en tevens voor een stabiele katalytische cyclus.

De auteurs speculeren dat dit komt doordat stikstof dan beter adsorbeert en ammoniak juist beter los laat, waardoor de katalysator constant bedekt blijft met stikstofatomen. De hogere temperatuur zorgt daarnaast ook voor een efficiëntere elektrochemische toevoer van waterstof, wat de Faraday-efficiëntie met een factor 37 verhoogde en de benodigde elektrische energie juist verminderde. Ze verwachten dat verdere modificaties de ammoniakopbrengsten flink zullen verbeteren.

Ripepi, D., Schreuders, H. & Mulder, F.M. (2023) ChemSusChem e202300460, DOI: 10.1002/cssc.202300460