Laat protonen over een katalysator huppelen in een elektrisch veld, en je kunt ammoniak synthetiseren bij lage temperatuur en druk. Zo kun je die synthese ook op kleine schaal uitvoeren zonder dat ze onbetaalbaar wordt, schrijven Japanse onderzoekers in Chemical Science.

Onder ‘laag’ verstaan ze daarbij 200 °C en 9 bar, veel lager en dus energiezuiniger dan we gewend zijn van het traditionele Haber-Boschproces dat alleen op zeer grote schaal rendabel is. De Japanners registreerden daarbij een ammoniakproductie van 30 mmol per gram katalysator en per uur, wat voor ammoniaksynthesebegrippen een hele prestatie is.

Hun katalysator bestaat uit cesium- en rutheniumnanodeeltjes (respectievelijk 9,9 en 5,0 massa%) op een SrZrO₃-drager. Wat dat cesium precies doet blijft overigens onduidelijk; het lijkt wel of de auteurs simpelweg geen kat zónder cesium hadden liggen. Dat ruthenium de vorming van NH₃ uit N₂ en H₂ katalyseert was al langer bekend, maar het elektrische veld lijkt dit proces veel makkelijker te maken.

Volgens de Japanners tonen theoretische berekeningen aan dat dit komt doordat je in dat elektrische veld een heel ander reactiemechanisme krijgt. Normaal gesproken begint het met het splitsen van N₂. Maar mét elektrisch veld krijg je eerst splitsing van H₂ op het SrZrO₃, waarna de gevormde protonen overspringen op een rutheniumdeeltje en daar N₂H vormen - vanwege dat elektrische veld lijkt dat ineens een exotherm proces te worden. Pas daarna wordt de binding tussen beide N’s verproken, waarna de toevoeging van nog meer protonen leidt tot 2 NH₃.

De Japanners spreken in dit verband van ‘proton hopping’- een term die normaal gesproken slaat op het gedrag van protonen in water en dan ook wel bekend staat als het Grotthuss-mechanisme. Metingen met diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) suggereren dat tijdens de reactie ook NH₄⁺ aanwezig is, en dat doet vermoeden dat de reeds gevormde NH₃-moleculen optreden als drager voor de protonen. Dus inderdaad net zoals watermoleculen het bij Grotthuss doen.

Of de uitvinding werkelijk praktisch toepasbaar is, is afwachten - maar twee van de auteurs werken voor het chemieconcern Nippon Shokubai dus de industrie zit er al bovenop.

bron: Waseda University, Chemical Science