De ammoniakbrandstofcel. Op het plaatje ontbreekt het membraan dat het kathode- en anodedeel scheidt (afb: univ. van Utah)
Bijna een eeuw geleden kreeg de Duitser Fritz Haber de Nobelprijs voor de ontwikkeling van een proces om ammoniak te synthetiseren. Dat proces zorgde voor een radicale omvorming van de landbouw, omdat nu (kunst)mest in de fabriek gemaakt kon worden en de landbouw niet langer afhankelijk was van dierlijke mest of Chilisalpeter. Groot nadeel van dit roemruchte Born/Haber-proces is dat aanzienlijke hoeveelheden energie gebruikt, alles bij elkaar elke jaar zo’n 1% van het totale wereldverbruik. Onderzoekers van de universiteit van Utah (VS) hebben nu een enzymatisch proces ontwikkeld, dat nog eens energie op de koop toe zou leveren. Daar zitten nog wel wat haken en ogen aan…
Zowel het Born/Haber-proces als het door Shelley Minteer van de universiteit van Utah ontwikkelde proces is gebaseerd op fundamentele chemische principes. Stikstof en waterstof moeten met meer (Born/Haber) of minder (Minteer en de haren) geweld worden verleid tot het vormen van de verbinding NH3. In het Born/Haber-proces praat je dan over een druk van zo’n 250 atmosfeer en een temperatuur van 500°C. Op het ogenblik wordt er jaarlijks zo’n 500 miljoen ton ammoniak geproduceerd met een energieverbruik van 1% van het wereldtotaal.
In de biologie, dat is natuurlijk al lang bekend, verlopen chemische reacties met een stuk minder geweld via een op hun taak toegesneden enzymen (katalysatoren). Er bestaan verschillende chemische routes voor. Zo gebruikt een bepaalde bacterie een nitrogenase-enzym om stikstof te reduceren tot NH3. Nitrogenases zijn wel eens bekeken in verband met brandstofcellen, maar de enzymen zijn niet commercieel beschikbaar en moeten ook nog eens beschermd worden tegen zuurstof. Lastig spul dus, voor sommige toepassingen.
“Wat wij hier goed kunnen”, zegt Minteer zonder enige zweem van bescheidenheid, “is het raakvlak ontwerpen tussen enzym en de elektrode, zodat de enzymen kunnen ‘communiceren’ met de elektrodeoppervlakken.”
Brandstofcellen
Minteer en de haren wilden een brandstofcelachtig systeem maken dat het biologische proces van stikstofvastlegging na zou bootsen. Ze maakten daarbij gebruik van nitrogenase en hydrogenase. Dat laatste enzym was bedoeld om waterstof van zijn elektron te ontdoen om zich te kunnen verbinden met stikstof.
De brandstofcel bestaat uit twee delen, verbonden via koolstofelektrodes en gescheiden door een membraan. In het ene deel wordt waterstof ontdaan van zijn elektron en die elektronen worden overgedragen op de elektrode (anode). In het andere deel komen de van waterstof afkomstige elektronen via de kathode bij het stikstof, dat vervolgens, in combinatie met nitrogenase, wordt omgezet in ammoniak, waarbij de noodzakelijke protonen door het scheidingsmembraan naar het kathodedeel zijn verhuisd.
De brandstofcel heeft nog maar heel weinig ammoniak geproduceerd. Toch denkt Minteer dat haar systeem in staat is het energievretende Born/Haber-proces te verdringen. “Het is een spontaan proces en in plaats van dat je er energie in moet pompen, ontstaat er ook nog elektriciteit.”
Uiteraard moet er nog wel het een en ander gesleuteld worden aan het proces om het op te schalen tot industriële omvang. Een van de tere punten is de zuurstofgevoeligheid van nitrogenases. Ook is er voor het proces adenosinetrifosfaat (ATP) nodig, een molecuul dat in levende cellen energiebron is. Dat zou gevoelig punt kunnen zijn. Het vermijden van ATP zou het systeem volgens Minteer naar ‘een volgend niveau’ kunnen brengen, dichter naar toepassing. Wie weet wordt dit verhaal nog eens vervolgd.
Bron: EurekALert