Geheim kunstmest deels ontsluierd

Een oud mysterie is weer dichter bij een oplossing gekomen. Amerikaanse en Duitse onderzoekers melden in Science de synthese van een ijzerhoudende organische verbinding die in grote lijn reageert zoals de ijzerkatalysator in het Haber-Bosch-proces. Moleculaire stikstof (N2) wordt omgezet in nitriden en die reageren met moleculaire waterstof (H2) tot ammoniak (NH3). Het ijzerhoudende complex, dat net als de Haberkatalysator kalium bevat, is zo uniek dat hij nauwelijks een hanteerbare naam heeft (het is een diketiminaatcomplex). Zijn voornaamste gunstige eigenschap is dat hij in zuiver kristallijne vorm is verkregen en dat hij de genoemde reacties in opgeloste toestand vertoont. Daardoor is het nog niet goed opgehelderde reactiemechanisme goed te bestuderen, al is het oplosmiddel (tetrahydrofuraan) wat exotisch.

Het Haber-Bosch proces, dat rond 1910 werd ontwikkeld, is van onschatbare betekenis voor de wereldvoedselvoorziening. Het is de weg waarlangs uit gewone luchtstikstof de kunstmest ammoniak, of naar wens: nitraat, wordt geproduceerd. Vóór 1910 werd de stikstofmeststof voor de Europese en Amerikaanse landbouw voornamelijk betrokken van guano en chilisalpeter uit Peru en Chili. Het Haber-proces, waarvoor Fritz Haber in 1919 de Nobelprijs kreeg, maakte abrupt een eind aan de profijtelijke export van Peru en Chili (de nitraatcrisis).

Jaarlijks wordt 450 miljoen ton stikstofkunstmest geproduceerd in Haberprocessen (Wikipedia), dat is ruwweg de helft van alle stikstof die de wereldlandbouw opneemt. De door ijzer met kalium gekatalyseerde reactie vindt plaats bij hoge temperatuur (300 to 550 °C) en gevaarlijk hoge druk (150 tot 250 bar). De benodigde waterstof wordt meestal bereid uit aardgas. Haberprocessen kosten erg veel energie, ongeveer 1 procent van het wereldenergieverbruik gaat naar de ammoniakproductie. Met man en macht wordt geprobeerd details van de chemische reactie te doorgronden om het proces efficiënter te maken. Ook in het alternatief voor het Haberproces, de stikstofbinding door bacteriën met het ijzerhoudende enzym nitrogenase, wordt veel onderzoek gestoken.

Karel Knip