Het antieke Haber/Boschproces met drie aparte reactoren (afb: WikiMedia Coomons)

Om de ruim zeven miljard menselijke aard-bewoners te voeden is kunstmest nodig. De eerste stap om kunstmest te maken is de omzetting van luchtstikstof en methaan in ammoniak. Dat gebeurt via het aloude, energievretende Haber/Bosch-proces waarbij veel kooldioxide vrijkomt. Jaarlijks praten we dan over 450 miljoen ton, 1% van de totale  uitstoot. Met een nieuw type reactor (keramisch) kan die uitstoot worden gehalveerd.
Het Haber/Boschproces is ontwikkeld aan het begin van de 20ste eeuw. Daarbij zijn drie afzonderlijke reactoren nodig. Eerst moet er van methaan waterstof worden gemaakt. Vervolgens wordt in een tweede reactor het ontstane koolmonoxide omgezet in kooldioxide. In de derde moet waterstof met stikstofstof reageren tot ammoniak. In de nieuwe reactor zijn die drie reactoren er een geworden. Daardoor is de energiebehoefte van het proces en de hoeveelheid kooldioxide die er ontstaat ook lager. De waterstof die in de eerste reactor wordt gevormd vertraagt het effect van de daar gebruikte nikkelkatalysator.

Om dat probleem op te lossen ontwierpen onderzoekers van de TU Eindhoven en Griekenland rond Vasileios Kyriakou een nieuwe reactor, waarbij de waterstof meteen wordt verwijderd als die ontstaat. De reactor bestaat uit een dunne keramische buis waar stoom en methaan worden gemengd (zoals gebruikelijk bij dit proces). De nikkelkat zit aan de binnenkant van de buis. Op die plek ontstaan waterstofionen en CO₂. De CO₂ gaat de pijp uit. Een spanningsverschil trekt elektronen door een draad naar een tweede katalysator aan de buitenkant van de buis. Daardoor worden de waterstofionen door de wand van de (poreuze) buis getrokken. De nikkelkat aan de binnenkant van de buis wordt niet langer gestoord door waterstof, waardoor de reactie sneller verloopt.

Lagere temperatuur

Dat betekent ook dat de temperatuur om de reactie te laten verlopen omlaag kan naar 600°C. Daardoor ontstaat er geen CO zoals in de oude opzet. Dat giftige koolmonoxide moest dan weer apart worden omgezet in kooldioxide. Dat hoeft nu dus niet.
Aan de buitenkant van de buis komt waterstof in contact met stikstof. Een verbinding van stikstof, vanadium en ijzer fungeert daar als katalysator. Het hele proces verloopt bij atmosferische druk. De onderzoekers hebben uitgerekend dat bij hun ammoniakproces maar de helft van de hoeveelheid kooldioxide ontstaat als bij het conventionele proces.

Volgens Kyriakou produceert de tweede katalysator ook wat waterstof, naast de ammoniak. De onderzoekers gebruikten die waterstof om een brandstofcel aan te drijven. De elektriciteit daarvan gebruikten ze voor hun reactor. Volgens de onderzoeker is de tweede katalysator nog wat te flets om het proces concurrerend te maken. De onderzoekers zijn nu op zoek naar betere gegadigden en ze hebben er alle vertrouwen in die te vinden.

Bron: Science