Это открытие, опубликованное 10 июля в Journal of the American Chemical Society, позволяет не только безопасно и удобно хранить аммиак, но и перевозить важный водород. Это открытие должно помочь проложить путь к декарбонизированному обществу с практической водородной экономикой.

Для того чтобы общество смогло перейти от углеродной к водородной энергетике, необходим безопасный способ хранения и транспортировки водорода, который сам по себе является очень горючим веществом. Один из способов — хранить его в составе других молекул и извлекать по мере необходимости. Аммиак, химически обозначаемый как NH₃, является хорошим носителем водорода, поскольку в каждой молекуле содержится три атома водорода, причем почти 20% аммиака составляет водород по весу.

Однако проблема заключается в том, что аммиак является весьма агрессивным газом, что затрудняет его хранение и использование. В настоящее время аммиак обычно хранится в сжиженном виде при температуре значительно ниже нуля в контейнерах, устойчивых к давлению. Пористые соединения также могут хранить аммиак при комнатной температуре и давлении, однако их емкость невелика, и аммиак не всегда можно легко извлечь. В новом исследовании сообщается об открытии перовскита — материала с характерной повторяющейся кристаллической структурой, который может легко хранить аммиак, а также легко и полностью извлекать его при относительно низких температурах.

Исследовательская группа под руководством Масуки Кавамото из RIKEN CEMS сосредоточила свое внимание на перовските — йодиде этиламмония свинца (EAPbI₃), химическое название которого CH₃CH₂NH₃PbI₃. Было обнаружено, что его одномерная столбчатая структура вступает в химическую реакцию с аммиаком при комнатной температуре и давлении и динамически превращается в двумерную слоистую структуру, называемую гидроксидом йодида свинца, или Pb (OH)I. В результате этого процесса аммиак накапливается в слоистой структуре за счет химического превращения. Таким образом, EAPbI3 позволяет надежно хранить агрессивный газ аммиак в виде азота, причем этот процесс гораздо дешевле, чем сжижение при температуре -33°C (-27,4°F) в контейнерах под давлением. Что еще более важно, процесс извлечения хранящегося аммиака столь же прост.

К нашему удивлению, аммиак, хранящийся в йодистом этиламмонии, можно было легко извлечь путем осторожного нагревания, — говорит Кавамото.

Накопленное азотистое соединение вступает в обратную реакцию при температуре 50°C (122°F) в вакууме и возвращается в аммиак. Эта температура гораздо ниже, чем 150°C (302°F) и более, которые необходимы для извлечения аммиака из пористых соединений, что делает EAPbI₃ отличной средой для работы с агрессивными газами в рамках простого и экономически эффективного процесса.

Кроме того, после возвращения к одномерной столбчатой структуре перовскит можно использовать повторно, что позволяет многократно накапливать и извлекать аммиак. Дополнительным бонусом стало то, что обычно желтое соединение после реакции стало белым. По словам Кавамото, «способность соединения изменять цвет при хранении аммиака означает, что можно разработать датчики аммиака на основе цвета для определения количества хранящегося аммиака.

Новый метод хранения аммиака имеет несколько вариантов использования. В краткосрочной перспективе исследователи разработали безопасный метод хранения аммиака, который уже имеет множество применений в обществе — от удобрений до фармацевтических препаратов и текстиля.

В долгосрочной перспективе, — говорит соавтор исследования Йошихиро Ито из RIKEN CEMS, — мы надеемся, что этот простой и эффективный метод может стать частью решения проблемы декарбонизации общества за счет использования аммиака в качестве безуглеродного носителя водорода.