Forscher am RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) in Japan haben eine Verbindung entdeckt, die eine chemische Reaktion zur Speicherung von Ammoniak nutzt und möglicherweise eine sicherere und einfachere Möglichkeit zur Speicherung dieser wichtigen Chemikalie bietet.
Diese Entdeckung, veröffentlicht in der Zeitschrift der American Chemical Society am 10. Juli ermöglicht nicht nur die sichere und bequeme Speicherung von Ammoniak, sondern auch den Transport des wichtigen Wasserstoffs. Diese Erkenntnis soll den Weg zu einer dekarbonisierten Gesellschaft mit einer praktischen Wasserstoffwirtschaft weisen.
Damit die Gesellschaft von kohlenstoffbasierter auf wasserstoffbasierte Energie umsteigen kann, brauchen wir eine sichere Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern und zu transportieren, der an sich leicht brennbar ist. Eine Möglichkeit hierfür besteht darin, es als Teil eines anderen Moleküls zu speichern und bei Bedarf zu extrahieren. Ammoniak, chemisch als NH3 bezeichnet, ist ein guter Wasserstoffträger, da in jedem Molekül drei Wasserstoffatome gepackt sind und fast 20 Gewichtsprozent des Ammoniaks Wasserstoff sind.
Das Problem besteht jedoch darin, dass Ammoniak ein stark korrosives Gas ist, was seine Lagerung und Verwendung erschwert. Die Lagerung von Ammoniak erfolgt derzeit in der Regel durch Verflüssigung bei Temperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt in druckfesten Behältern. Poröse Verbindungen können Ammoniak auch bei Raumtemperatur und -druck speichern, die Speicherkapazität ist jedoch gering und das Ammoniak kann nicht immer einfach zurückgewonnen werden.
Die neue Studie berichtet über die Entdeckung eines Perowskits, eines Materials mit einer charakteristischen, sich wiederholenden Kristallstruktur, das Ammoniak leicht speichern kann und auch bei relativ niedrigen Temperaturen eine einfache und vollständige Rückgewinnung ermöglicht.
Das Forschungsteam unter der Leitung von Masuki Kawamoto am RIKEN CEMS konzentrierte sich auf das Perowskit-Ethylammonium-Bleiiodid (EAPbI3), chemisch geschrieben als CH3CH2NH3PbI3. Sie fanden heraus, dass seine eindimensionale Säulenstruktur bei Raumtemperatur und -druck eine chemische Reaktion mit Ammoniak eingeht und sich dynamisch in eine zweidimensionale Schichtstruktur namens Bleiiodidhydroxid oder Pb(OH)I umwandelt.
Als Ergebnis dieses Prozesses wird Ammoniak durch chemische Umwandlung in der Schichtstruktur gespeichert. Somit kann EAPbI3 korrosives Ammoniakgas sicher als Stickstoffverbindung speichern, und zwar in einem Verfahren, das viel kostengünstiger ist als die Verflüssigung bei -33 °C (-27,4 °F) in Druckbehältern. Noch wichtiger ist, dass der Prozess zur Rückgewinnung des gespeicherten Ammoniaks genauso einfach ist.
„Zu unserer Überraschung konnte das in Ethylammoniumbleiodid gespeicherte Ammoniak durch leichtes Erhitzen leicht extrahiert werden“, sagt Kawamoto. Die gespeicherte Stickstoffverbindung durchläuft bei 50 °C (122 °F) unter Vakuum eine Rückreaktion und kehrt zu Ammoniak zurück. Diese Temperatur ist viel niedriger als die 150 °C (302 °F) oder mehr, die zur Extraktion von Ammoniak aus porösen Verbindungen erforderlich sind, was EAPbI3 zu einem hervorragenden Medium für den Umgang mit korrosiven Gasen in einem einfachen und kostengünstigen Verfahren macht.
Darüber hinaus kann der Perowskit nach der Rückkehr zur eindimensionalen Säulenstruktur wiederverwendet werden, sodass Ammoniak wiederholt gespeichert und extrahiert werden kann. Ein zusätzlicher Vorteil war, dass die normalerweise gelbe Verbindung nach der Reaktion weiß wurde. Laut Kawamoto „bedeutet die Fähigkeit der Verbindung, beim Speichern von Ammoniak ihre Farbe zu ändern, dass farbbasierte Ammoniaksensoren entwickelt werden können, um die Menge des gespeicherten Ammoniaks zu bestimmen.“
Die neue Speichermethode hat mehrere Einsatzmöglichkeiten. Kurzfristig haben die Forscher eine sichere Methode zur Speicherung von Ammoniak entwickelt, das in der Gesellschaft bereits vielfältige Verwendungsmöglichkeiten hat, von Düngemitteln über Arzneimittel bis hin zu Textilien. „Langfristig“, sagt Co-Autor Yoshihiro Ito von RIKEN CEMS, „hoffen wir, dass diese einfache und effiziente Methode Teil der Lösung für das Erreichen einer dekarbonisierten Gesellschaft durch die Verwendung von Ammoniak als kohlenstofffreiem Wasserstoff sein kann.“ Träger.“
Diese Forschung wird dazu beitragen, die von den Vereinten Nationen für 2016 festgelegten Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) zu erreichen, insbesondere Ziel 7: Bezahlbare und saubere Energie und Ziel 13: Klimaschutz.
Mehr Informationen:
Chemische Speicherung von Ammoniak durch dynamische Strukturumwandlung einer hybriden Perowskitverbindung., Zeitschrift der American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c04181