Các nhà khoa học Nhật Bản phát hiện được hợp chất ethylammonium chì iodua, cho phép lưu trữ và giải phóng amoniac an toàn và hiệu quả để có tiềm năng trở thành một chất mang nhiên liệu hydro xanh phi carbon.
SciTech Daily, dẫn báo cáo khoa học, được công bố ngày 10/7 trên Tạp chí Hiệp hội Hóa học Mỹ cho biết, các nhà khoa học tại Trung tâm Khoa học Vật chất Mới xuất hiện RIKEN (CEMS) của Nhật Bản đã phát hiện được một hợp chất, sử dụng phản ứng hóa học lưu trữ amoniac, có khả năng cung cấp một phương pháp an toàn và dễ dàng lưu trữ hóa chất quan trọng cho công nghiệp phi carbon này.
Phát hiện mới không chỉ giúp lưu trữ amoniac an toàn và thuận tiện mà còn là vật chất mang nhiên liệu hydro quan trọng. Sáng tạo này mở đường cho một nền kinh tế hydro xanh và một xã hội phi carbon.
Để xã hội chuyển đổi từ năng lượng hóa thạch sang năng lượng nhiên liệu hydro, cần một giải pháp an toàn để lưu trữ và vận chuyển hydro, do chất khí này nhẹ và rất dễ cháy. Một phương pháp tiềm năng là lưu trữ hydro như thành phần của phân tử khác và trích xuất hydro khi cần thiết. Amoniac, có công thức hóa học là NH3, là chất mang hydro tốt nhất vì có tới 3 nguyên tử hydro đóng gói trong mỗi phân tử, gần 20% amoniac là hydro tính theo trọng lượng.
Lưu trữ và chiết xuất Ammonia bằng phản ứng hóa học
Những thay đổi có thể đảo ngược về màu sắc và cấu trúc tinh thể trong quá trình lưu trữ và chiết xuất amoniac thông qua chuyển đổi hóa học của chất perovskite. Ảnh: RIKEN
Nhưng amoniac là một loại khí có tính ăn mòn cao, rất khó bảo quản và khai thác sử dụng. Hiện nay, amoniac thường được lưu trữ bằng phương pháp hóa lỏng ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với nhiệt độ đóng băng trong những thùng chứa chịu áp suất cao.
Các hợp chất xốp cũng có thể lưu trữ khí amoniac ở nhiệt độ và áp suất trong phòng, nhưng khả năng lưu trữ thấp và khó thu hồi amoniac. Trong báo cáo khoa học của công trình nghiên cứu, các nhà khoa học Nhật Bản phát hiện, perovskite, vật liệu có cấu trúc tinh thể lặp đi lặp lại đặc biệt có thể dễ dàng lưu trữ amoniac và cũng cho phép thu hồi dễ dàng và đầy đủ ở nhiệt độ tương đối thấp.
Nhóm nghiên cứu do TS Masuki Kawamoto dẫn đầu tại RIKEN CEMS tập trung vào chất perovskite ethylammonium chì iodua (EAPbI3). Nhóm nghiên cứu nhận thấy, cấu trúc dạng cột một chiều của perovskite phản ứng hóa học với amoniac ở nhiệt độ và áp suất phòng, đồng thời biến đổi linh hoạt thành cấu trúc phân lớp hai chiều, được gọi là perovskite ethylammonium chì iodua hydroxit, hay EAPb(OH)I.
Kết quả của quá trình này là amoniac được lưu trữ trong cấu trúc phân lớp trên cơ sở chuyển đổi hóa học. Do đó, EAPbI3 có thể lưu trữ an toàn khí amoniac ăn mòn dưới dạng hợp chất nitơ trong một quy trình rẻ hơn nhiều so với quá trình hóa lỏng ở -33°C (-27,4°F) trong các bình chứa chịu áp suất. Quan trọng hơn là quy trình thu hồi amoniac lưu trữ trong vật chất mang cũng đơn giản như vậy.
TS Kawamoto cho biết: “Chúng tôi rất ngạc nhiên, amoniac, lưu trữ trong etylammonium chì iodua có thể được chiết xuất dễ dàng bằng phương pháp đun nóng nhẹ. Hợp chất nitơ được lưu trữ phản ứng ngược lại ở nhiệt độ 50°C (122°F) trong chân không và giải phóng amoniac. Nhiệt độ này thấp hơn nhiều so với nhiệt độ 150°C (302°F) cần thiết để chiết xuất amoniac từ những hợp chất xốp cho thấy, EAPbI 3 một phương tiện tuyệt vời để vận chuyển và chiết xuất khí ăn mòn amoniac trong một quy trình đơn giản và tiết kiệm, không cần những công cụ chuyên dụng và quy trình đắt tiền.
Hơn thế nữa, sau khi trở lại cấu trúc vật liệu cột một chiều, perovskite có thể được tái sử dụng, cho phép sử dụng để lưu trữ và chiết xuất amoniac nhiều lần. Một đặc điểm hữu ích bổ sung là sự thay đổi màu sắc, hợp chất màu vàng bình thường trở thành màu trắng sau khi lưu trữ amoniac và ngược lại. Ông Kawamoto lưu ý “khả năng thay đổi màu sắc của hợp chất khi lưu trữ amoniac có nghĩa là có thể phát triển các cảm biến amoniac trên cơ sở màu sắc để xác định sự hiện diện của khí amoniac được lưu trữ.”
Phương pháp lưu trữ mới có nhiều ứng dụng tiềm năng. Trong nghiên cứu hiện nay, các nhà nghiên cứu phát triển một phương pháp an toàn để lưu trữ amoniac, vốn có nhiều ứng dụng trong xã hội, từ phân bón, dược phẩm đến dệt may.
Đồng tác giả nghiên cứu Yoshihiro Ito của RIKEN CEMS giải thích: “Trong tương lai, chúng tôi sẽ khai thác phương pháp đơn giản và hiệu quả này như một phần của chiến lược sử dụng amoniac làm chất mang hydro không có carbon như một nguồn nhiên liệu sạch để tiến tới một xã hội phi carbon.”
Nghiên cứu này hướng tơi mục đích đạt được những Mục tiêu Phát triển Bền vững (SDGs) năm 2016 do Liên Hợp Quốc đề ra, đặc biệt là Mục tiêu 7: Năng lượng sạch và giá thành phù hợp và Mục tiêu 13: Hành động vì khí hậu môi trường.