Et robust materiale til optagelse og opbevaring af ammoniak ved tætheder, der kommer tæt på den flydende gas

Håndtering, opbevaring, og forsendelse af ammoniak kræver dyrt udstyr og særlige forholdsregler på grund af dets iboende ætsende og toksiske egenskaber. Forskere i Manchester, Storbritannien, har fundet ud af, at en metal-organisk ramme, MFM-300(Al), et porøst fast stof, ikke kun effektivt filtrerer skadelig nitrogendioxidgas, men det har også enestående muligheder for ammoniaklagring. Som beskrevet i journalen Angewandte Chemie , reversibel optagelse og frigivelse af ammoniak sker ved en unik sorptionstilstand.

Ammoniak er en vigtig kvælstofkilde for planter, og det er et grundlæggende kemikalie. Dette uundværlige kemikalie, som er fremstillet i stor skala af atmosfærisk nitrogen og brint, er blevet kaldt "brød fra luften". Men hvordan skal denne ressource opbevares og håndteres? Den gasformige eller flydende form er ætsende og giftig. Opbevaring og forsendelse under tryk eller ved lave temperaturer er dyrt og energikrævende. Adsorption i porøse faste stoffer, såsom zeolitter eller metal-organiske rammer - en strategi, der i øjeblikket testes i vid udstrækning inden for brintlagring - kunne være en interessant mulighed.

Den robuste metal-organiske ramme MFM-300(Al) har vist sig at være et potent filter for nitrogendioxid, som er et skadeligt forurenende stof i luften. Martin Schröder og hans kolleger ved University of Manchester, Storbritannien, har nu gransket MFM-300(Al) for dets evne til at optage ammoniak. De opdagede, at det kunne optage gasformig ammoniak op til en massefylde, der kommer tæt på flydende ammoniak under omgivende forhold. Ved omkring nul grader Celsius oversteg den endda denne tæthed.

MFM-300(Al) består af aluminiumhydroxiddele og organiske biphenyltetracarboxylsyreligander, der slår bro mellem aluminiumstederne og danner en stiv "vinreol"-ramme, som forfatterne kaldte det. I stedet for vinflasker, gasmolekyler ligger i nanokanalerne og porerne.

Som base, ammoniak binder sig til sure centre. Forfatterne identificerede tre forskellige bindingsmåder baseret på elektrostatiske interaktioner. I alt, fire ammoniakmolekyler forbundet med et aluminiumcenter, og en firkantet "vinreol" tomrum, kunne fyldes med op til 16 gasmolekyler. Forskerne bestemte bindingsmåderne ved neutronpulverdiffraktion og forfining - en teknik, der kan løse de strukturelle detaljer med atomopløsning.

Forfatterne opdagede, at pakningen af ​​ammoniakmolekylerne var næsten lige så tæt som i en væske, og adsorption var reversibel. Fyldning og frigørelse af porerne op til 50 gange var muligt uden tab i kapacitet eller forringelse af rammen, de sagde.

Og der er en unik sorptionstilstand. Ved hjælp af mærkningseksperimenter, hvor brintet i ammoniak blev erstattet af deuterium, forskerne opdagede hurtig deuteriumudveksling med brint fra porevæggene. Dette tyder på, at sorptionstilstanden ikke kunne være ren fysisorption udelukkende baseret på elektrostatiske interaktioner. Imidlertid, kemisorption var heller ikke ansvarlig, fordi der ikke var dannet adsorberende bindinger ved grænsefladen. "Væsentligt, adsorptionen af ​​deutereret ammoniak i MFM-300(Al) afslørede en ny type adsorption, " bemærkede forfatterne. Hurtig stedudveksling kunne være en af ​​årsagerne til effektiv ammoniakoptagelse.

Dette arbejde viser, at den metal-organiske ramme er velegnet til ammoniaklagring og håndtering ved tætheder tæt på den flydende og tryksatte gas. Ammoniak, "brød fra luft", kunne faktisk opnå brødets konsistens.