ELEKTROCHEMISCHE CEL MAAKT AMMONIAK BIJ 600 GRADEN CELSIUS

Bacteriën in de wortels van planten hebben er geen enkele moeite mee, maar zonder enzymen is het nogal ingewikkeld om de stikstof uit de lucht te 'binden' en met waterstof te laten reageren tot ammoniak (NH). De Duitse chemicus Haber ontwikkelde daarvoor in het begin van deze eeuw een proces waarin bij hoge temperatuur en druk én in aanwezigheid van een ijzer-katalysator ammoniak wordt gevormd. Nog altijd worden de 100 miljoen ton ammoniak per jaar, die onder meer gebruikt worden als grondstof voor kunstmest, voornamelijk op deze manier geproduceerd. Toch wordt er heel lang naar eenvoudiger syntheseroutes gezocht. Twee Griekse chemici van de universiteit van Thessaloniki hebben daarbij een belangrijke vooruitgang geboekt. Zij ontwikkelden een methode om bij gewone atmosferische druk waterstof en stikstof met elkaar te laten reageren in een elektrochemische cel (Science, 2 oktober).

In zo'n cel staan moleculen onder invloed van een spanningsverschil aan de ene elektrode elektronen af, die aan de andere elektrode weer worden opgenomen. Zo vinden er in een zogenaamde (elektrolyt)-oplossing - die zelf geleidend is - chemische reacties plaats. Een bekend voorbeeld is de ontleding van water in waterstof en zuurstof. De elektrolyt zorgt ervoor dat de stroomkring gesloten kan worden. Steeds vaker wordt gebruik gemaakt van vaste (keramische) elektrolyten, aanvankelijk alleen voor zuurstofionen, maar tegenwoordig ook voor die van waterstof. De onderzoekers wisten te bewerkstelligen dat bij temperaturen rond de 600 °C de waterstofatomen aan het oppervlak van de vaste elektrolyt hun elektron kwijtraken, waarna ze zich als positieve ionen naar de andere elektrode begeven om daar te reageren met stikstof uit de lucht. Deze reactie is vele malen sneller dan die tussen neutraal waterstof en stikstof. Het is echter wel zaak om te voorkomen dat het eenmaal gevormde ammoniak weer ontleedt. Daarom werd alleen de bodem van de vaste elektrolyt heet genoeg gestookt om de reactie te laten plaatsvinden en werd de rest zorgvuldig buiten het fornuis gehouden. Het ammoniak was zo te koud om terug te reageren.

Er zijn nog talloze andere industrieel belangrijke (katalytische) processen waarin waterstofatomen een belangrijke rol spelen. Groot voordeel van de gebruikte vaste elektrolyten is dat ze bestand zijn tegen de hoge temperaturen die daarbij nodig zijn. Wellicht is de ammoniaksynthese dus nog maar het begin.