Onderzoekers ontdekken een veilige, gemakkelijke en betaalbare manier om waterstof op te slaan en terug te winnen

Onderzoekers van het RIKEN Centre for Emerging Materials Science (CEMS) in Japan hebben een verbinding ontdekt die een chemische reactie gebruikt om ammoniak op te slaan, wat een veiligere en gemakkelijkere manier kan zijn om deze belangrijke chemische stof op te slaan.

Deze ontdekking is gepubliceerd in Tijdschrift van de American Chemical Society Op 10 juli is het niet alleen mogelijk om ammoniak veilig en gemakkelijk op te slaan, maar kan ook het belangrijke waterstof vervoerd worden. Dit resultaat moet de weg vrijmaken voor een koolstofneutrale samenleving met een praktische waterstofeconomie.

Om de samenleving de overstap te laten maken van op koolstof gebaseerde naar op waterstof gebaseerde energie, hebben we een veilige manier nodig om waterstof op te slaan en te transporteren, dat zelf zeer brandbaar is. Een manier om dit te doen is door het op te slaan als onderdeel van een ander molecuul en het naar behoefte te extraheren. Ammoniak, chemisch geschreven als NH₃is een goede waterstofdrager omdat drie waterstofatomen in elk molecuul zijn gepakt, waarbij ongeveer 20 gewichtsprocent ammoniak waterstof is.

Het probleem is echter dat ammoniak een zeer corrosief gas is, waardoor het moeilijk te bewaren en te gebruiken is. Momenteel wordt ammoniak over het algemeen opgeslagen door het vloeibaar te maken bij temperaturen ver onder het vriespunt in drukvaste containers. Poreuze verbindingen kunnen ammoniak ook bij kamertemperatuur en -druk opslaan, maar de opslagcapaciteit is laag en ammoniak kan niet altijd eenvoudig worden teruggewonnen.

De nieuwe studie rapporteert de ontdekking van perovskiet, een materiaal met een karakteristieke zich herhalende kristallijne structuur, dat gemakkelijk ammoniak kan opslaan en ook gemakkelijk en volledig kan worden teruggewonnen bij relatief lage temperaturen.

Het onderzoeksteam onder leiding van Masuki Kawamoto van RIKEN CEMS richtte zich op perovskiet ethylammoniumloodjodide (EAPbI).₃), chemisch geschreven als CH₃CH₂New Hampshire₃PbI₃. Ze ontdekten dat de eendimensionale kolomstructuur een chemische reactie ondergaat met ammoniak bij kamertemperatuur en druk, dynamisch transformerend in een tweedimensionale structuur genaamd loodjodidehydroxide of Pb(OH)I.

Als resultaat van dit proces wordt ammoniak door chemische omzetting opgeslagen in een gelaagde structuur. Zo is de EAPbI₃ Bijtende ammoniak kan veilig worden opgeslagen als een stikstofverbinding in een veel goedkoper proces dan vloeibaar maken bij -33 °C (-27,4 °F) in containers onder druk. Wat nog belangrijker is, is dat het proces voor het terugwinnen van opgeslagen ammoniak heel eenvoudig is.

“Tot onze verbazing kan de ammoniak die is opgeslagen in ethylammoniumloodjodide gemakkelijk worden geëxtraheerd door het voorzichtig te verwarmen”, zegt Kawamoto. De opgeslagen stikstofverbinding ondergaat een omgekeerde reactie bij 50 ° C (122 ° F) onder vacuüm en keert terug naar ammoniak. Deze temperatuur ligt ver onder de 150 ° C (302 ° F) of meer die nodig is om ammoniak uit poreuze verbindingen te extraheren, waardoor EAPbI₃ Een uitstekend medium voor het omgaan met corrosieve gassen in een eenvoudig en kosteneffectief proces.

Bovendien kunnen de perovskieten, nadat ze zijn teruggekeerd naar een eendimensionale kolomstructuur, opnieuw worden gebruikt, waardoor herhaalde opslag en extractie van ammoniak mogelijk is. Een extra bonus was dat de van nature gele verbinding wit werd na de reactie. Volgens Kawamoto: “Het vermogen van de verbinding om van kleur te veranderen wanneer ammoniak wordt opgeslagen, betekent dat colorimetrische ammoniaksensoren kunnen worden ontwikkeld om de hoeveelheid opgeslagen ammoniak te bepalen.”

De nieuwe opslagmethode heeft veel toepassingen. Op korte termijn hebben onderzoekers een veilige manier ontwikkeld om ammoniak op te slaan, dat al voor meerdere toepassingen in de samenleving wordt gebruikt, van kunstmest tot medicijnen tot textiel. “Op de lange termijn hopen we dat deze eenvoudige en effectieve methode deel kan uitmaken van de oplossing voor het bereiken van een koolstofneutrale samenleving door het gebruik van ammoniak als drager van koolstofvrije waterstof”, zegt co-auteur Yoshihiro Ito van RIKEN CEMS. .

Dit onderzoek zal bijdragen aan het behalen van de Sustainable Development Goals (SDG’s) voor 2016 die zijn opgesteld door de Verenigde Naties, met name doelstelling 7: schone, betaalbare energie en doelstelling 13: klimaatactie.