Et blåt pigment viste sig at være et højtydende ammoniakadsorbent

Akira Takahashi (forsker) og institutionelle samarbejdspartnere har opdaget, at det blå pigment preussiske blå har en højere adsorptionskapacitet end almindelige ammoniakadsorbenter, og kontrollerede strukturen af ​​preussisk blå for at syntetisere preussiske blå analoger med højere ammoniakadsorptionskapacitet.

Preussisk blå er et pigment, der har været brugt siden tidlige tider. I denne undersøgelse, forskerne fandt ud af, at preussisk blå adsorberer mere ammoniak end almindelige adsorbenter som zeolit ​​og aktivt kul. I analoger med metalionerne i preussisk blå erstattet af andre metalioner og flere fejl, mængden af ​​absorberet ammoniak steg. Desuden, mens almindelige ammoniak adsorbenter har lav adsorptionskapacitet til lav koncentration af ammoniak, Preussisk blå var i stand til at adsorbere lav koncentration af ammoniak i luften ved "lugtfrie niveauer." Det blev også bekræftet, at de preussiske blå analoger kan frigive ammoniak, når de er adsorberet, gør dem genanvendelige.

Denne teknologi forventes at blive brugt som en ammoniaklugt modforanstaltning i plejehjem, en teknologi til undertrykkelse af PM 2.5 generation, og en teknologi til fjernelse af ammoniak i brintbrændstof.

Detaljer om denne teknologi vil blive offentliggjort i et amerikansk kemitidsskrift, Journal of the American Chemical Society .

Ammoniak er det mest producerede kemiske stof i verden, med sine primære anvendelser som råmateriale til kemiske produkter såsom gødning og fibre. Endnu, ammoniak er også et ildelugtende stof, og urin, for eksempel, nedbrydes til ammoniak og forårsager lugt. Også, ammoniak i atmosfæren er et årsagssubstans til de fine partikler PM 2,5, menes hovedsageligt at stamme fra ammoniak, der spredes fra landbruget og husdyrindustrien. Derfor, en teknologi til fjernelse af fortyndet ammoniak i atmosfæren er påkrævet. Ud over, hvis ammoniak er indeholdt i brint, der leveres til en brændselscelle, det har en negativ effekt på brændselscellens elproduktionskapacitet, så internationale standarder for brint til brændselscellekøretøjer kræver en ammoniakkoncentration på mindre end 0,1 ppm. Især i Japan, regeringen fremmer udviklingen af ​​teknologi til fremstilling af brint fra ammoniak, så en teknologi til fjernelse af ammoniak fra brintbrændstof er afgørende.

I øjeblikket, aktivt kul, zeolit, og ionbytterharpikser anvendes som almindelige ammoniakadsorbenter. Imidlertid, disse adsorbenter har problemer såsom vanskeligheder ved genbrug, lav adsorptionskapacitet til lav koncentration af ammoniak, og høje priser. Så, der har været efterspørgsel efter lavpris og genanvendelige ammoniakadsorbenter, der viser høj adsorptionskapacitet, selv for ammoniak med lav koncentration.

For nylig, porøse koordineringspolymerer sammensat af metalioner og små molekyler, med fine rumlige netværk indeni, har fået opmærksomhed som nye materialer til gasadsorption og genvinding. AIST har forsket og udviklet fjernelse af skadeligt stof ved hjælp af porøse koordineringspolymerer. I særdeleshed, AIST har avanceret udvikling ved hjælp af porøse koordineringspolymerer, dvs. preussiske komplekser af blå type at adsorbere radioaktivt cæsium med høj effektivitet, og brug dem i en volumenreduktionsteknologi til plantebaseret kontaminering.

I denne undersøgelse, forskerne brugte strukturen af ​​preussiske blå og preussiske blå analoger til at udvikle en teknologi til fjernelse af ammoniakgas, samtidig med at man forfølger forbedring af ammoniakadsorptionskapacitet ved strukturel kontrol på atomniveau.

Preussisk blå er et blåt pigment med en over 300 års historie, og blev brugt til maleri af Vincent van Gogh, Katsushika Hokusai, og andre. Preussisk blå har en struktur, hvor jernioner (Fe) og hexacyanoferrationer ([Fe (CN) ₆ ]) er forbundet tre dimensionelt, med ca. 0,5 nanometer (nm) mikroskopiske mellemrum (interstitielle steder), der kan fange ammoniak (figur 1 (a)). Strukturen af ​​preussisk blå kan kontrolleres i atomskala, for eksempel at udskifte jernioner med andre metalioner eller lave fejl, hvor hexacyanoferrat -ionerne ([Fe (CN) ₆ ]) mangler (fig. 1 (b)). I denne undersøgelse, forskerne fokuserede på det faktum, at udsatte metalioner i disse defekter (ledige steder) let danner koordineringsbindinger med molekyler, og undersøgte, om uopløselig preussisk blå med defekter er i stand til adsorption af ammoniak med høj densitet eller ej. For at øge ledige pladser så meget som muligt, der blev udviklet en metode til at øge antallet af fejl, samtidig reducere indholdet af alkalimetalioner, der sandsynligvis vil fremkalde de interstitielle steder. Forskerne skabte derved en koboltsubstitueret preussisk blå analog (Co [Co (CN) ₆ ] _0,60 , CoHCC) og en kobbersubstitueret preussisk blå analog (Cu [Fe (CN) ₆ ] _0,50 , CuHCF) og vurderede deres ammoniakadsorptionskapacitet sammen med preussisk blå.

Først, forskerne vurderede adsorptionsmængden i ren ammoniak som adsorbenternes grundlæggende ydeevne. Figur 2 viser forholdet mellem ammoniaktryk og adsorptionsmængderne, når preussisk blå, CoHCC, og CuHCF blev anbragt i henholdsvis ammoniak. Det viser også data fra de typer med den højeste adsorptionsmængde fra et dokument, der vurderer og sammenligner forskellige produkter for de almindelige adsorbenter, såsom ionbytterharpikser, zeolit, og aktivt kul). Ammoniakadsorptionsmængden af ​​preussisk blå var 12,4 mol (211 g)/kg ved 1 atm, en højere værdi end almindelige adsorbenter. Dette svarer til adsorption af 11 ammoniakmolekyler pr. Enhedscelle af preussisk blå med et volumen på cirka 1 nm ³ . Desuden, analogerne CoHCC og CuHCF viste høje adsorptionsmængder på henholdsvis 21,9 mol (373 g)/kg og 20,6 mol (351 g)/kg. CoHCC havde især en ammoniakadsorptionsmængde på 16,2 molekyler pr. adsorberer 93 procent af den anslåede maksimale adsorptionsmængde på 17,6 molekyler.

Næste, forskerne placerede en film af preussisk blå i et sædvanligt laboratorium, der viser ammoniakkoncentration på 0,015 ppm, og undersøgte adsorptionsadfærden for fortyndet ammoniak. Som resultat, ammoniakadsorptionsmængden af ​​den preussiske blå film steg med tiden, viser en adsorptionsmængde på 0,3 mol (5,1 g)/kg (fig. 3 (a)). Det betyder, at ammoniak i fortyndet koncentration i atmosfæren blev adsorberet og fanget i det fine rum i preussisk blå, der svarer til 1 del i 700, 000, 000 efter volumenkonvertering. Det menes, at preussisk blå kan adsorbere sådan fortyndet ammoniak, fordi adsorberet ammoniak (NH ₃ ) reagerer med vand i preussisk blå for at danne en ammoniumion (NH ₄ ⁺ ), er stabiliseret, og er fanget inde i preussisk blå uden at blive genudsat i luften. Ammoniakadsorptionskapaciteten af ​​ionbytterharpiksen (Amberlyst) og zeolit ​​i et rum, hvor ammoniak med samme koncentration er indeholdt. Zeolit ​​adsorberede næsten ingen ammoniak overhovedet. Ionbytterharpiksen viste lignende adsorptionskapacitet til preussisk blå, men det er ekstremt dyrt. Disse fakta indikerede preussisk blås overlegenhed.

Desuden, for hurtigt at kontrollere, at ammoniak adsorberes af preussisk blå, forskerne fyldte et tyndt rør med preussisk blå, og lad luft indeholdende cirka 1 ppm ammoniak passere med en hastighed, så preussisk blå og luft kun var i kontakt i 2 millisekunder. Som vist i fig. 3 (b), efter luft med en ammoniakkoncentration på 0,86 ppm passeret gennem røret, den faldt til 0,036 ppm, adsorberer og fjerner 96 procent af ammoniak. Ud over, i testene udført på samme måde, både CuHCF og CoHCC adsorberede og fjernede over 90 procent af ammoniak.

Endelig, forskerne kontrollerede, om de nyligt fremstillede analoger kunne bruges gentagne gange som adsorbenter. Som resultat, i applikationer, der fjernede fortyndet ammoniak fra atmosfæren, den adsorberede ammoniak blev desorberet ved at skylle CuHCF med en fortyndet syre, og CuHCF viste sig at kunne genbruges som et adsorbent. Også, i applikationer til opbevaring af ren ammoniak, CoHCC var i stand til gentagen brug.

De preussiske blå analoger, der er brugt i denne undersøgelse, ligner materialer, der hidtil har været anvendt som radioaktive cæsiumadsorbenter, og der er en række former for teknikker til de radioaktive cæsiumadsorbenter, såsom granulat og fiberdug, der understøtter et absorberende stof. AIST vil fortsætte udviklingen, så preussisk blå og dens analoger kan bruges som ammoniak -adsorbenter, såsom at udvikle ikke-vævede stoffer, der understøtter preussisk blå til at installere dem på ventilatorer i faciliteter, der har potentiale for ammoniak til at sprede sig, herunder i svinehuse og kompostbygninger og fjern ammoniak, der kan forårsage lugt og PM 2.5, og udvikle gasudluftningsrør belagt med preussisk blå på deres indre overflade, der kan installeres i brintstationer for at fjerne ammoniak. Ud over, AIST planlægger at søge virksomheder efter fælles forskning og teknologioverførsel, og sigter mod praktisk brug af fjernelse af ammoniak og opbevaring af ammoniak.