Palladium-nanodeeltjes blijken de elektrochemische reductie van stikstof tot ammoniak ongekend efficiënt te katalyseren. Elektrificatie van de kunstmestproductie lijkt niet geheel onhaalbaar meer, suggereert een publicatie in Nature Communications.

Tot nu toe komt zo’n beetje alle ammoniak nog uit het meer dan honderd jaar oude, energievretende Haber-Boschproces. Op elektrochemische alternatieven wordt al heel lang gestudeerd en van verschillende metalen is bewezen dat ze de reactie kunnen katalyseren, maar tot nu toe bleken efficiëntie en selectiviteit telkens veel te laag om ook maar te dénken aan industriële toepassing.

Grootste probleem daarbij is dat de voor NH₃ benodigde protonen moeten komen uit het water waarmee de elektrochemische cel is gevuld. Die protonen kunnen ook reageren tot gasvormige waterstof, H₂ dus. En dat is een concurrerende elektrochemische reactie die over het algemeen veel gemakkelijker verloopt dan ammoniakvorming, waarvoor je tevens een degelijk N₂-molecuul moet zien te splitsen.

Dat het met palladium op een koolstofdrager bovengemiddeld goed lukt, ligt volgens Xiaofeng Feng en collega’s van de University of Central Florida vermoedelijk aan een afwijkend reactiemechanisme. Hun dichtheidsfunctionaaltheoretische berekeningen suggereren dat palladium losse H’s absorbeert in het eigen metaalrooster en zo in feite een stabiel hydride vormt. Vervolgens draagt het die H’s via een ‘Grotthuss-achtig’ mechanisme (ook bekend als ‘proton jumping’) over aan N₂.

Zo’n mechanisme is eerder ter sprake gekomen bij ammoniaksynthese, maar toen betrof het een omzetting in de gasfase die niet echt voldeed aan de definitie van elektrochemie.

Bij andere metalen, zoals goud of platina, blijven de protonen min of meer los op het oppervlak liggen, en moet je daarna een veel hogere energiedrempel overwinnen om er N₂ mee te hydrogeneren.

Voorlopig eindresultaat: een elektrochemische cel met een Coulombische efficiëntie van 8,2 % bij een lage overpotentiaal, terwijl je bij elektrochemische ammoniakproductie normaal gesproken al blij bent als je boven de 1 % komt. En dat bij 1 bar en kamertemperatuur, terwijl je voor Haber-Bosch minstens 150 bar en 350 °C nodig hebt.

De productie van 4,5 µg NH₃ per mg Pd en per uur valt nog steeds wat tegen, maar het begin is er.

bron: Nature Communications