Các nhà nghiên cứu Nhật Bản tìm ra cách đơn giản và giá cả phải chăng để lưu trữ hydro
Không liên quan đến các thùng chứa chịu áp suất và có thể thu hồi ở nhiệt độ tương đối thấp.
Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học Vật chất Mới nổi RIKEN (CEMS) ở Nhật Bản đã tìm ra cách đơn giản và giá cả phải chăng để lưu trữ amoniac, một loại hóa chất quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Phát hiện này cũng có thể giúp thiết lập nền kinh tế dựa trên hydro.
Amoniac, viết tắt là NH3, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp từ dệt may đến dược phẩm và là một thành phần quan trọng trong sản xuất phân bón. Đối với mục đích sử dụng hiện tại, amoniac được lưu trữ trong các thùng chứa chịu áp suất sau khi hóa lỏng ở nhiệt độ -27 Fahrenheit (-33 độ C).
Các phương pháp thay thế để lưu trữ amoniac trong các hợp chất xốp đã được khám phá. Quá trình lưu trữ và thu hồi có thể đạt được ở nhiệt độ phòng, nhưng khả năng lưu trữ của các hợp chất này bị hạn chế.
Một nhóm nghiên cứu do Masuki Kawamoto đứng đầu tại RIKEN CEMS hiện đã phát hiện ra rằng perovskite, cấu trúc tinh thể liên quan đến việc cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các tấm pin mặt trời, cũng có thể đóng vai trò là môi trường tuyệt vời để lưu trữ và thu hồi amoniac.
Perovskite như một chất mang amoniac
Nhóm của Kawamoto phát hiện ra rằng perovskite etyl amoni chì iodua (EAPbI3) phản ứng với amoniac ở nhiệt độ và áp suất phòng để tạo thành chì iodua hydroxide, hay Pb(OH)I. Etyl amoni chì iodua có cấu trúc dạng cột một chiều nhưng sau khi phản ứng với amoniac, tạo thành cấu trúc lớp hai chiều.
Amoniac là một loại khí có tính ăn mòn cao, nhưng phản ứng hóa học với perovskite cho phép lưu trữ an toàn mà không cần bất kỳ thiết bị đặc biệt nào để lưu trữ. Quá trình thu hồi cũng rất đơn giản. Trong điều kiện chân không, etyl amoni chì iodua có thể được đun nóng đến 122 độ Fahrenheit (50 độ C) để giải phóng khí amoniac.
Phản ứng thuận nghịch cho phép lưu trữ và thu hồi amoniac dễ dàng
RIKEN
So sánh với amoniac được lưu trữ trong các hợp chất xốp cần nhiệt độ khoảng 302 độ F (150 độ C) để thu hồi.
Chuyển sang nền kinh tế hydro
Việc phát hiện ra vai trò của perovskite rất quan trọng vì nó cũng cung cấp một cách để lưu trữ hydro. Mỗi phân tử amoniac chứa ba nguyên tử hydro và chứa 20 phần trăm trọng lượng của phân tử.
Bản thân hydro rất dễ cháy, nhưng amoniac không dễ cháy, khiến nó trở thành môi trường tốt để lưu trữ cho đến khi cần thiết.
Phản ứng perovskite-amoniac hoàn toàn có thể đảo ngược và perovskite có thể được tái sử dụng để lưu trữ amoniac một lần nữa sau khi quá trình thu hồi hoàn tất. Điều thú vị là perovskite cũng đổi màu thành trắng khi lưu trữ amoniac và trở lại màu vàng ban đầu sau khi amoniac được thu hồi. Các nhà khoa học có thể khai thác đặc điểm này để tạo ra các cảm biến dựa trên màu sắc nhằm xác định lượng amoniac được lưu trữ trong perovskite.
Những nỗ lực của chúng ta nhằm tránh xa nhiên liệu hóa thạch có thể sẽ trở nên vô ích nếu chúng ta không tìm được giải pháp thay thế để thực hiện các nhiệm vụ như vận chuyển đường dài và vận tải nặng. Mật độ công suất của hydro gần gấp ba lần so với xăng hoặc dầu diesel, nhưng bản chất dễ cháy của nó mang lại rủi ro cao.
Một phương pháp đơn giản và giá cả phải chăng, trong đó hydro có thể được chiết xuất tại địa điểm cần thiết, chỉ với số lượng cần thiết, sẽ mở đường nhanh hơn tới nền kinh tế dựa trên hydro trong tương lai gần.
Các phát hiện nghiên cứu đã được công bố vào ngày 10 tháng 7 trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Tóm tắt:
Hướng tới năng lượng tái tạo để san phẳng toàn cầu, các hợp chất có thể lưu trữ amoniac (NH3), một chất mang năng lượng không chứa carbon của hydro, sẽ có giá trị lớn. Ở đây, chúng tôi báo cáo một hợp chất perovskite halide hữu cơ-vô cơ có thể lưu trữ NH3 về mặt hóa học thông qua quá trình chuyển đổi cấu trúc động. Khi hấp thụ NH3, cấu trúc hóa học sẽ thay đổi từ cấu trúc cột một chiều sang cấu trúc phân lớp hai chiều thông qua phản ứng cộng. Lượng hấp thụ NH3 ước tính là 10,2 mmol g–1 ở 1 bar và 25 °C. Ngoài ra, quá trình chiết xuất NH3 có thể được thực hiện bằng phản ứng ngưng tụ ở 50 °C trong điều kiện chân không. Phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy quá trình hấp thụ/chiết xuất NH3 thuận nghịch bắt nguồn từ phản ứng trao đổi cation/anion. Sự chuyển đổi cấu trúc này cho thấy tiềm năng tích hợp quá trình hấp thụ và chiết xuất hiệu quả trong hợp chất perovskite lai thông qua phản ứng hóa học. Những phát hiện này sẽ mở đường cho việc khám phá thêm các hợp chất động, thuận nghịch và hữu ích về mặt chức năng để lưu trữ NH3 bằng hóa chất.
