Các nhà nghiên cứu Nhật Bản tìm ra cách đơn giản và giá cả phải chăng để lưu trữ hydro
Nó không liên quan đến các thùng chứa có áp suất và có thể được lấy ra ở nhiệt độ tương đối thấp.
Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Khoa học Vật chất Mới nổi (CEMS) RIKEN ở Nhật Bản đã tìm ra một cách đơn giản và giá cả phải chăng để lưu trữ amoniac, một hóa chất quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp. Khám phá 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 thành phần quan trọng trong sản xuất phân bón. Với mục đích sử dụng hiện tại, amoniac được lưu trữ trong các thùng chứa chịu áp lực sau khi hóa lỏng ở nhiệt độ -27 F (-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 dẫn đầu tại RIKEN CEMS hiện đã phát hiện ra rằng perovskites, cấu trúc tinh thể có 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 phương tiện tuyệt vời để lưu trữ và thu hồi amoniac.
Perovskite làm chất mang amoniac
Nhóm của Kawamoto phát hiện ra rằng perovskite ethyl amoni chì iodua (EAPbI3) phản ứng với amoniac ở nhiệt độ và áp suất trong phòng để tạo ra chì iodua hydroxit, hay Pb(OH)I. Ethyl amoni chì iodua có cấu trúc cột một chiều nhưng sau khi phản ứng với amoniac sẽ tạo thành cấu trúc phân 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 truy xuất cũng rất đơn giản. Trong chân không, etyl amoni chì iodua có thể được đun nóng đến 122 F (50 độ C) để giải phóng khí amoniac.
Phản ứng thuận nghịch cho phép lưu trữ và thu hồi amoniac một cách dễ dàng
RIKEN
Để so sánh, amoniac được lưu trữ trong các hợp chất xốp cần nhiệt độ khoảng 302 F (150 độ C) để phục hồi.
Chuyển sang nền kinh tế hydro
Việc phát hiện ra vai trò của perovskite là rất quan trọng vì nó cũng mang lại cách lưu trữ hydro. Mỗi phân tử amoniac chứa ba nguyên tử hydro và chiếm 20% trọng lượng của phân tử.
Bản thân hydro rất dễ cháy, nhưng amoniac không dễ cháy, khiến nó trở thành phương tiện tốt để lưu trữ cho đến khi cần.
Phản ứng perovskite-amoniac hoàn toàn có thể đảo ngược và perovskite có thể được tái sử dụng để lưu trữ lại amoniac sau khi quá trình thu hồi hoàn tất. Điều thú vị là perovskite cũng đổi màu thành màu trắng khi lưu trữ amoniac và trở lại màu vàng ban đầu sau khi thu hồi amoniac. Các nhà khoa học có thể khai thác tính năng này để chế tạo các cảm biến dựa trên màu sắc nhằm xác định lượng amoniac được lưu trữ trong perovskite.
Những nỗ lực của chúng ta nhằm loại bỏ nhiên liệu hóa thạch có thể sẽ vô ích nếu chúng ta không thể tìm ra giải pháp thay thế để thực hiện các nhiệm vụ như vận tải đường dài và vận tải hạng nặng. Mật độ năng lượng của hydro gần gấp ba lần so với xăng hoặc dầu diesel, nhưng tính 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 khai thác tại địa điểm có nhu cầu, chỉ với số lượng cần thiết, sẽ mở đường nhanh hơn cho nền kinh tế dựa trên hydro trong tương lai gần.
Kết quả nghiên cứu được công bố ngày 10 tháng 7 trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.
Trừu tượng:
Hướng tới năng lượng tái tạo để cân bằng toàn cầu, các hợp chất có thể lưu trữ amoniac (NH3), chất mang năng lượng không chứa carbon của hydro, sẽ có giá trị lớn. Ở đây, chúng tôi báo cáo một hợp chất perovskite halogenua vô cơ hữu cơ có thể lưu trữ NH3 về mặt hóa học thông qua chuyển đổi cấu trúc động. Khi hấp thụ NH3, sự thay đổi cấu trúc hóa học xảy ra từ cấu trúc cột một chiều sang cấu trúc lớp hai chiều bằng phản ứng cộng. Sự hấp thu NH3 được ước tính là 10,2 mmol g–1 ở 1 bar và 25°C. Ngoài ra, việc chiết NH3 có thể được thực hiện bằng phản ứng ngưng tụ ở 50°C trong chân không. Phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy sự hấp thụ/chiết xuất NH3 thuận nghịch có nguồn gốc từ phản ứng trao đổi cation/anion. Sự chuyển đổi cấu trúc này cho thấy tiềm năng tích hợp sự hấp thu 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 sâu hơn về các hợp chất năng động, thuận nghịch và hữu ích về mặt chức năng để lưu trữ NH3 bằng hóa chất.
