De synthese van ammoniak (N2 + 3H2 -> 2NH3), een essentiële component van onder meer kunstmest en daarmee cruciaal voor de wereldvoedselvoorziening, vereist een katalysator, hoge druk en hoge temperatuur. Die hoge temperatuur is nodig voor de dissociatie van het stikstofmolecuul, maar stimuleert tegelijk de synthesereactie in omgekeerde richting.

Begin vorige eeuw ontwikkelden de Duitse Nobelprijswinnaars Fritz Haber en Carl Bosch een industrieel proces dat werkt met een ijzerkatalysator. Dit Haber-Bosch­proces, dat werkt bij een temperatuur boven 300 °C en een druk van 100 tot 200 bar, wordt nog steeds gebruikt voor de synthese van 200 miljoen ton ammoniak per jaar. Zo’n 75 % daarvan gaat naar de productie van kunstmest.

Ruthenium

Naast ijzer werkt ook ruthenium als katalysator in het Haber-Boschproces. Chemicus Camila Fernández dook tijdens haar promotieonderzoek bij de Waalse Université Catholique de Louvain diep in het reactiemechanisme van die katalyse en ontdekte dat het Haber-Boschproces met ruthenium bij lagere temperatuur en druk (<200 °C en 5 bar) mogelijk is. Er is echter een probleem, aldus Fernandez. ‘Gedissocieerde stikstofatomen binden bij lage temperatuur aan het actieve oppervlak van de katalysator, waardoor ze de katalysator blokkeren.’

Om dit probleem op te lossen, bracht ze de eigenschappen van de katalysator in beeld. ‘Het zijn niet de metaaleigenschappen van ruthenium, maar de structurele eigenschappen van de rutheniumatomen die de dissociatie van stikstof promoten’, vervolgt Fernandez. ‘Deeltjes van circa 2 nm met veel hoekige structuren, die lijken op een trap, blijken ideaal. De reactie-intermediairen binden het best aan zo’n structuur.’

'De methode maakt pas kans als de waterstofproductie efficiënter gaat verlopen'

De chemicus ontdekte dat een combinatie van rutheniumnanodeeltjes variërend van 2 tot 7 nm het beste resultaat geeft. ‘Het N2 dissocieert op de kleine deeltjes, terwijl H2 dissocieert op de grotere deeltjes. De waterstofatomen diffunderen dan richting de kleinere deeltjes. Daar reageren ze met het stikstof tot ammoniak, dat loslaat van het katalysatoroppervlak. Mogelijk wordt het ruthenium hierbij gereduceerd, waardoor het makkelijker het volgende stikstofmolecuul kan dissociëren.’

Fernández ontving eind vorig jaar de Umicore Materials Technology Award voor haar onderzoek naar rutheniumnanodeeltjes. Een woordvoerder van Umicore laat weten: ‘Voor ons is een goed begrip van het katalytische proces essentieel voor de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren. Haar onderzoek heeft voor ons dus grote wetenschappelijke waarde.’

Duurzamere ammoniak

De toekenning van deze award verbaasde Fernández wel: ‘Ons onderzoek heeft immers geen directe implicatie voor de ammoniakindustrie. Het Haber-Boschproces is volledig geïntegreerd met de productie van waterstof uit methaan en stoom. De waterstofproductie kost veel meer energie dan de ammoniaksynthese. Pas als de productie van waterstof met bijvoorbeeld elektrolyse commercieel interessant wordt, maakt productie van ammoniak bij lage temperatuur met een rutheniumkatalysator een kans.’

Ruud Swarts, technology manager sustainability and energy efficiency van ammoniakproducent OCI Nitrogen in Geleen, beaamt dit: ‘De methode die Fernández onderzocht, sluit goed aan bij de transitie naar een duurzamere productie van ammoniak. We zijn bijvoorbeeld betrokken bij het Europese project Power to ammonia dat met duurzaam opgewekte elektrische energie ammoniak wil produceren, die later weer als brandstof gebruikt kan worden.’ De toekomst zal leren of ook de rutheniumkatalysator in de praktijk zijn steentje gaat bijdragen.