April 19, 2024

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Forscher entdecken eine sichere, einfache und kostengünstige Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern und zurückzugewinnen

Forscher entdecken eine sichere, einfache und kostengünstige Möglichkeit, Wasserstoff zu speichern und zurückzugewinnen

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Reversible Veränderungen der Farbe und Kristallstruktur bei der Lagerung und Gewinnung von Ammoniak durch chemische Umwandlung. Bildnachweis: RIKEN

Forscher am RIKEN Center for Emerging Materials Science (CEMS) in Japan haben eine Verbindung entdeckt, die eine chemische Reaktion zur Speicherung von Ammoniak nutzt, was eine sicherere und einfachere Möglichkeit zur Speicherung dieser wichtigen Chemikalie bieten könnte.

Diese Entdeckung wurde veröffentlicht in Zeitschrift der American Chemical Society Am 10. Juli ist es nicht nur möglich, Ammoniak sicher und bequem zu speichern, sondern auch den wichtigen Wasserstoff zu transportieren. Dieses Ergebnis soll dazu beitragen, den Weg zu einer CO2-neutralen Gesellschaft mit einer praxistauglichen Wasserstoffwirtschaft zu ebnen.

Damit die Gesellschaft den Übergang von kohlenstoffbasierter zu wasserstoffbasierter Energie vollziehen kann, benötigen wir eine sichere Möglichkeit zur Speicherung und zum Transport von Wasserstoff, der selbst leicht brennbar ist. Eine Möglichkeit hierfür besteht darin, es als Teil eines anderen Moleküls zu speichern und bei Bedarf zu extrahieren. Ammoniak, chemisch geschrieben als NH3ist ein guter Wasserstoffträger, da in jedem Molekül drei Wasserstoffatome gepackt sind, wobei etwa 20 Gewichtsprozent Ammoniak Wasserstoff sind.

Das Problem besteht jedoch darin, dass Ammoniak ein stark korrosives Gas ist, was die 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, allerdings ist die Speicherkapazität gering und Ammoniak kann nicht immer einfach zurückgewonnen werden.

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Die neue Studie berichtet über die Entdeckung von Perowskit, einem Material mit einer charakteristischen, sich wiederholenden Kristallstruktur, das Ammoniak leicht speichern kann und dessen einfache und vollständige Rückgewinnung bei relativ niedrigen Temperaturen ermöglicht.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Masuki Kawamoto am RIKEN CEMS konzentrierte sich auf Perowskit-Ethylammonium-Bleiiodid (EAPbI).3), chemisch geschrieben als CH3CH2New Hampshire3PbI3. Sie fanden heraus, dass seine eindimensionale Säulenstruktur bei Raumtemperatur und -druck eine chemische Reaktion mit Ammoniak eingeht und sich dynamisch in eine zweidimensionale Struktur namens Bleiiodidhydroxid oder Pb(OH)I umwandelt.

Als Ergebnis dieses Prozesses wird Ammoniak durch chemische Umwandlung in einer Schichtstruktur gespeichert. Somit ist das EAPbI3 Ätzendes Ammoniak kann als Stickstoffverbindung in einem viel kostengünstigeren Verfahren sicher gelagert werden als durch Verflüssigung bei -33 °C (-27,4 °F) in Druckbehältern. Noch wichtiger ist, dass das Verfahren zur Rückgewinnung von gespeichertem Ammoniak sehr einfach ist.

„Zu unserer Überraschung lässt sich das in Ethylammoniumbleiodid gespeicherte Ammoniak durch leichtes Erhitzen leicht extrahieren“, sagt Kawamoto. Die gespeicherte Stickstoffverbindung geht bei 50 °C (122 °F) unter Vakuum eine Rückreaktion ein und wandelt sich wieder in Ammoniak um. Diese Temperatur liegt deutlich unter den 150 °C (302 °F) oder mehr, die zur Extraktion von Ammoniak aus porösen Verbindungen erforderlich sind, wodurch EAPbI entsteht3 Ein hervorragendes Medium für den einfachen und kostengünstigen Umgang mit korrosiven Gasen.

Darüber hinaus können die Perowskite nach der Rückkehr zu einer eindimensionalen Säulenstruktur wiederverwendet werden, was eine wiederholte Speicherung und Extraktion von Ammoniak ermöglicht. Ein zusätzlicher Vorteil war, dass die natürlich gelbe Verbindung nach der Reaktion weiß wurde. Laut Kawamoto „bedeutet die Fähigkeit der Verbindung, ihre Farbe zu ändern, wenn Ammoniak gespeichert wird, dass kolorimetrische Ammoniaksensoren entwickelt werden können, um die Menge des gespeicherten Ammoniaks zu bestimmen.“

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Die neue Speichermethode hat viele Einsatzmöglichkeiten. Kurzfristig haben Forscher eine sichere Methode zur Speicherung von Ammoniak entwickelt, das in der Gesellschaft bereits vielfältige Verwendungsmöglichkeiten hat, von Düngemitteln über Medikamente bis hin zu Textilien. „Langfristig hoffen wir, dass diese einfache und effektive Methode Teil der Lösung zur Verwirklichung einer CO2-neutralen Gesellschaft durch den Einsatz von Ammoniak als Träger von kohlenstofffreiem Wasserstoff sein kann“, sagt Co-Autor Yoshihiro Ito von RIKEN CEMS .

Diese Forschung wird dazu beitragen, die von den Vereinten Nationen für 2016 festgelegten Ziele für nachhaltige Entwicklung (SDGs) zu erreichen, insbesondere Ziel 7: Saubere, erschwingliche Energie und Ziel 13: Klimaschutz.

Mehr Informationen:
Chemische Speicherung von Ammoniak durch dynamische Strukturumwandlung eines Hybrid-Perowskit-Komposits. Zeitschrift der American Chemical Society (2023). DOI: 10.1021/jacs.3c04181

Zeitschrifteninformationen:
Zeitschrift der American Chemical Society