Nieuw katalysator-ontwerp maakt groene ammoniakproductie bijna 100% efficiënt

Ammoniak geldt als veelbelovende energiedrager voor de toekomst: de stof kan grote hoeveelheden waterstof opslaan en blijft bij kamertemperatuur vloeibaar, wat transport makkelijk maakt. Traditioneel wordt ammoniak gemaakt via het Haber-Bosch-proces, dat hoge temperaturen, hoge druk en veel energie vergt. Een schoner alternatief is elektrolyse-achtige elektrochemische productie, waarbij alleen water, stikstof en elektriciteit nodig zijn. Het probleem: bij deze methode ontstaat vaak liever waterstofgas dan ammoniak, waardoor het proces inefficiënt wordt.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Yousung Jung van Seoul National University heeft nu een nieuw ontwerpprincipe ontwikkeld dat dit probleem aanpakt. In plaats van de zuurgraad van de elektrolyt aan te passen — een aanpak die zowel de gewenste als de ongewenste reactie afremt, omdat beide protonen nodig hebben — richtten de onderzoekers zich op de vorm van de moleculen die bij de reactie betrokken zijn. Hun werk is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society.

Geïnspireerd door enzymen in de natuur

De inspiratie kwam uit de biologie. Enzymen in levende cellen reageren vaak alleen met moleculen die precies in hun vorm passen, en blokkeren andere stoffen simpelweg door ruimtegebrek. Dit principe, sterische hindering genoemd, pasten de onderzoekers toe op de elektrode van hun katalysator. Door de vorm van protondonoren aan te passen, maakten ze het voor protonen lastiger om de elektrode te bereiken. Dat remt de eerste stap van waterstofvorming, de zogeheten Volmer-reactie, sterk af.

De reactie die wél ammoniak oplevert, de stikstoffixatie van stikstofgas, ondervindt daar nauwelijks last van. Dat komt doordat stikstofmoleculen tijdens die reactie verder uitsteken van het katalysatoroppervlak, waardoor protonen ze nog wel kunnen bereiken ondanks de extra ruimtelijke blokkades. Het team vergelijkt het met een spel Tetris: verkeerd geplaatste blokjes blokkeren de ene opening, maar laten een andere doorgang vrij.

Van laboratorium naar lokale productie

Met computersimulaties (microkinetisch modelleren) bevestigden de onderzoekers dat een grotere sterische hindering de zogeheten Faradaic efficiëntie — het percentage elektrische energie dat daadwerkelijk in het gewenste product terechtkomt — over een breed spanningsbereik hoog houdt. Waar dit momenteel vaak rond de 70 procent ligt, zou het nieuwe ontwerp bijna 100 procent efficiëntie mogelijk moeten maken.

Dat is relevant omdat een hogere efficiëntie kleinschalige, lokale ammoniakproductie dichterbij brengt, bijvoorbeeld direct bij windmolenparken of zonneparken. Grote chemische fabrieken zouden dan niet meer nodig zijn om duurzaam opgewekte stroom om te zetten in een transportabele energiedrager. Volgens de onderzoekers is het ontwerpprincipe ook toepasbaar op andere elektrochemische processen, zoals de omzetting van CO2, waarbij eveneens ongewenste bijreacties de efficiëntie drukken. Het team wil het concept nu uitbreiden naar andere reacties en zoekt naar katalysatormaterialen die zowel zeer selectief als zeer actief zijn, als stap richting commerciële toepassing.