محققان مرکز RIKEN برای علوم مواد اضطراری (CEMS) در ژاپن راهی ساده و مقرون به صرفه برای ذخیره آمونیاک، یک ماده شیمیایی مهم در طیف وسیعی از صنایع، یافته اند. این کشف همچنین می تواند به ایجاد یک اقتصاد مبتنی بر هیدروژن کمک کند.
آمونیاک که از نظر شیمیایی به عنوان NH3 نوشته می شود، به طور گسترده در صنایع مختلف از نساجی گرفته تا داروسازی استفاده می شود و جزء مهمی در تولید کودها است. برای استفاده فعلی، آمونیاک پس از مایع شدن در دمای -۲۷ فارنهایت (۳۳- درجه سانتیگراد) در ظروف مقاوم در برابر فشار ذخیره می شود.
روش های جایگزین برای ذخیره آمونیاک در ترکیبات متخلخل بررسی شده است. فرآیند ذخیره سازی و بازیابی را می توان در دمای اتاق به دست آورد، اما ظرفیت ذخیره سازی این ترکیبات محدود است.
یک تیم تحقیقاتی به رهبری Masuki Kawamoto در RIKEN CEMS اکنون دریافته اند که پروسکایت ها، ساختارهای کریستالی مرتبط با بهبود راندمان تبدیل انرژی پنل های خورشیدی، همچنین می توانند به عنوان یک محیط عالی برای ذخیره و بازیابی آمونیاک عمل کنند.
پروسکایت به عنوان یک حامل آمونیاک
تیم Kawamoto دریافت که پروسکایت اتیل آمونیوم یدید سرب (EAPbI3) با آمونیاک در دما و فشار اتاق واکنش می دهد و هیدروکسید یدید سرب یا Pb(OH)I می سازد. یدید سرب اتیل آمونیوم دارای ساختار ستونی یک بعدی است اما پس از واکنش با آمونیاک، ساختار لایه ای دو بعدی را تشکیل می دهد.
آمونیاک یک گاز بسیار خورنده است، اما واکنش شیمیایی با پروسکایت امکان ذخیره سازی ایمن آن را فراهم می کند که به تجهیزات خاصی نیز برای ذخیره آن نیاز ندارد. فرآیند بازیابی نیز بسیار ساده است. تحت خلاء، یدید سرب اتیل آمونیوم را می توان تا ۱۲۲ فارنهایت (۵۰ درجه سانتیگراد) حرارت داد تا گاز آمونیاک آزاد شود.
در مقایسه، آمونیاک ذخیره شده در ترکیبات متخلخل به دمایی در حدود ۳۰۲ فارنهایت (۱۵۰ درجه سانتیگراد) برای بازیابی نیاز دارد.
حرکت به سمت اقتصاد هیدروژنی
کشف نقش پروسکایت بسیار مهم است زیرا راهی برای ذخیره هیدروژن نیز ارائه می دهد. هر مولکول آمونیاک دارای سه اتم هیدروژن است و ۲۰ درصد وزن مولکول را تشکیل می دهد.
هیدروژن به خودی خود بسیار قابل احتراق است، اما آمونیاک به راحتی نمی‌سوزد، و آن را به محیطی مناسب برای ذخیره آن تا زمان نیاز تبدیل می‌کند.
واکنش پروسکیت-آمونیاک کاملاً برگشت پذیر است و پس از تکمیل بازیابی می توان از پروسکایت برای ذخیره آمونیاک دوباره استفاده کرد. جالب اینجاست که پروسکایت نیز با ذخیره آمونیاک به رنگ سفید تغییر رنگ می دهد و پس از بازیابی آمونیاک به رنگ زرد اولیه خود باز می گردد. دانشمندان می توانند از این ویژگی برای ساخت حسگرهای رنگی برای تعیین میزان آمونیاک ذخیره شده در پروسکایت استفاده کنند.
تلاش‌های ما برای دور شدن از سوخت‌های فسیلی اگر نتوانیم جایگزین‌هایی برای انجام وظایفی مانند حمل‌ونقل طولانی و حمل‌ونقل سنگین پیدا کنیم، احتمالاً بی‌ثمر خواهد بود. چگالی توان هیدروژن تقریباً سه برابر بنزین یا گازوئیل است، اما ماهیت قابل احتراق آن خطر بالایی را به همراه دارد.
یک روش ساده و مقرون به صرفه که در آن بتوان هیدروژن را در محل مورد نیاز خود استخراج کرد، تنها در مقادیر مورد نیاز، راه سریع‌تری را به سوی اقتصاد مبتنی بر هیدروژن در آینده نزدیک هموار خواهد کرد.
یافته های تحقیق در ۱۰ جولای در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر شد.
خلاصه:
به سمت انرژی های تجدیدپذیر برای تسطیح جهانی، ترکیباتی که می توانند آمونیاک (NH3)، یک حامل انرژی بدون کربن هیدروژن را ذخیره کنند، ارزش زیادی خواهند داشت. در اینجا، ما یک ترکیب پروسکایت هالید آلی- معدنی را گزارش می‌کنیم که می‌تواند NH3 را از طریق تبدیل ساختاری دینامیکی ذخیره کند. پس از جذب NH3، یک تغییر ساختار شیمیایی از یک ساختار ستونی یک بعدی به یک ساختار لایه ای دو بعدی با واکنش افزودن رخ می دهد. جذب NH3 10.2 mmolg-1 در ۱ bar و ۲۵ درجه سانتیگراد تخمین زده می شود. علاوه بر این، استخراج NH3 را می توان با واکنش تراکم در دمای ۵۰ درجه سانتی گراد در خلاء انجام داد. تجزیه و تحلیل پراش اشعه ایکس نشان می دهد که جذب / استخراج NH3 برگشت پذیر از یک واکنش تبادل کاتیون / آنیون سرچشمه می گیرد. این دگرگونی ساختاری پتانسیل ادغام جذب و استخراج کارآمد را در یک ترکیب پروسکایت هیبریدی از طریق واکنش شیمیایی نشان می‌دهد. این یافته‌ها راه را برای اکتشاف بیشتر ترکیبات پویا، برگشت‌پذیر و مفید برای ذخیره‌سازی شیمیایی NH3 هموار می‌کند.
بیشتر بخوانید: ساخت بادوام ترین پیل سوختی هیدروژنی جهان برای استفاده بهتر و گسترده‌تر از انرژی سبز
