N.B. Het kan zijn dat elementen ontbreken aan deze printversie.
Scheikunde Ammoniak is een essentiële meststof. Maar de productie ervan kost veel energie. Dat kan groener, laten Amerikaanse chemici zien.
De productie van de belangrijke meststof ammoniak kan veel efficiënter. Het ontstaat nu als gas in een mengsel, en het kost veel energie om de stof te scheiden. Met een nieuwe methode kan de stof direct uit het reactiemengsel afgevangen worden, laten Amerikaanse onderzoekers zien. Ze publiceerden erover in wetenschappelijk tijdschrift Nature. Deze scheiding verbruikt veel minder energie, en dus komt er minder CO2 vrij. Ammoniakproductie veroorzaakt tot 2 procent van de mondiale CO2-uitstoot.
Ammoniak (NH3) wordt gemaakt door stikstofgas (N2) en waterstofgas (H2) onder hoge temperaturen samen te voegen. Een katalysator in de vorm van fijne ijzerdeeltjes versnelt de reactie. De reactieopstelling en katalysator werden begin twintigste eeuw ontwikkeld door de Duitse chemici Fritz Haber en Carl Bosch – de reactie heet het Haber-Boschproces.
Het belang ervan is groot. Begin twintigste eeuw ontstonden grote zorgen omdat de wereldwijde voedselproductie veel te laag was om de groeiende wereldbevolking te kunnen voeden. Dat veranderde door het Haber-Boschproces.
Het proces is dus onmisbaar, maar niet erg duurzaam. De reactie zelf vindt plaats bij temperaturen van 300 tot 500 graden Celsius – dat kost veel energie. Vervolgens is het scheiden lastig: ammoniak wordt uit het gasvormige reactiemengsel gewonnen door het geheel af te koelen naar -20°C, bij een druk tot aan 300 keer de atmosferische luchtdruk: de ammoniak condenseert en is af te vangen.
Direct uit de lucht
Maar een zogenoemd metal-organic-framework (MOF) kan NH3-moleculen direct uit de lucht afvangen, laten de onderzoekers zien. Een MOF bestaat uit positief geladen metaalatomen en negatief geladen moleculen op basis van koolstof, die elkaar aantrekken en zo een raster vormen. Het raster van de onderzoekers bestaat uit koper en een simpele organische stof (cyclohexaandicarboxylaat). Wanneer ammoniak in de buurt is, vervangt het de organische stof en ontstaat een nieuwe structuur. Het bijzondere hierbij: wanneer de ammoniak bij iets lagere temperatuur weer loslaat, herstelt de originele structuur zich.
„Vanuit wetenschappelijk oogpunt is de paper zeer relevant”, vindt Laura Torrente, hoogleraar reactietechniek en biotechnologie in Cambridge. Het is al vaker geprobeerd om ammoniak te vangen in een MOF, maar „ammoniak breekt altijd het MOF-materiaal af”, zegt ze. De ammoniak laat dan niet meer los of beschadigt de rasterstructuur.
Maar ook ziet ze nog weinig mogelijkheden voor directe toepassing. De onderzoekers demonstreren hun ammoniak-kooi alleen bij kamertemperatuur. „Dat is irrelevant vanuit procesoogpunt”, zegt ze: de industrie maakt ammoniak op hoge temperatuur, dan kan je niet zomaar het gas bij lage temperatuur scheiden. De onderzoekers beamen dat: de echte relevantie zit pas in de toekomst, als het lukt om de reactie bij lagere temperaturen uit te voeren. Op dat gebied is veel aan de gang: vooral binnen het onderzoeksveld van ‘elektrochemie’ maken chemici grote sprongen.