Amonyak depolamada güvenli, kolay ve ucuz yol

Japonya’daki RIKEN Acil Madde Bilimi Merkezi’ndeki (CEMS) araştırmacılar, amonyağı depolamak için kimyasal tepkimeyi kullanan ve potansiyel olarak bu önemli kimyasalı depolamanın daha güvenli ve kolay bir yöntemini sunan bir bileşik keşfettiler.

Bu buluş, sadece amonyağın güvenli ve basit bir şekilde depolanmasını değil, ayrıca hidrojenin iletimini de olanaklı hale getiriyor. Bu keşif, pratik bir hidrojen ekonomisi ile karbondan temizlenmiş bir topluma giden yolda önemli bir adım olabilir.

Karbon temelli enerjiden hidrojen temelli enerjiye geçiş için, kendiliğinden tutuşabilen bir madde olan hidrojeni depolamanın ve iletmenin güvenli bir yoluna ihtiyaç vardır. Bunu yapmanın bir yöntemi de onu başka bir molekülün parçası olarak depolamak ve gerektiğinde çıkarmaktır. Kimyasal olarak NH₃ olarak gösterilen amonyak, iyi bir hidrojen taşıyıcısıdır. Çünkü her molekülde 3 adet hidrojen atomu bulunur. Bu duruma ek olarak amonyağın ağırlıkça %20’si hidrojendir (Şekil 1).

Amonyak kimyasal olarak reaktif bir bileşik olduğundan oldukça aşındırıcı bir gazdır bu yüzden depolanabilirliği ve kullanımı güçtür. Amonyak çoğunlukla basınca dayanıklı kaplarda donma noktasının çok altındaki sıcaklıklarda (-77,73 °C) sıvılaştırılarak depolanmaktadır. Gözenekli bileşikler amonyağı oda sıcaklığında ve uygun basınçta depolayabilir. Fakat depolama kapasiteleri düşüktür. Ayrıca amonyak her zaman kolaylıkla geri alınamaz.

Yeni bir araştırma, özel bir kristal yapısına sahip perovskit adı verilen malzemenin keşfiyle, amonyağın depolanmasını kolaylaştırmanın yanı sıra düşük sıcaklıklarda tam ve tekrarlanabilir bir şekilde geri kazanılmasını sağlama potansiyeline sahip olduğunu ortaya koydu.

Masuki Kawamoto önderliğindeki araştırma ekibi, kimyasal olarak CH₃CH₂NH₃PbI₃ olarak gösterilen perovskite etilamonyum kurşun iyodüre (EAPbI₃) odaklandı. Tek boyutlu sütun yapısının basınç altında oda sıcaklığında amonyak ile kimyasal tepkimeye girdiğini, dinamik olarak kurşun iyodür hidroksit veya Pb(OH)I adı verilen iki boyutlu tabakalı bir yapıya dönüştüğünü bulmuşlardır.

Bu çalışmalar neticesinde amonyak, kimyasal dönüşüm yoluyla tabakalı yapı içinde depolanmaktadır. Böylece, EAPbI₃ aşındırıcı amonyak gazını basınçlı kaplarda -33 °C’de sıvılaştırmadan daha az maliyetli bir işlemle beraber güvenli bir şekilde depolayabilir. Özellikle bu durumda depolanan amonyağı geri alma işlemi daha basittir¹.

Kawamoto, “EAPbI₃ içinde depolanan amonyağın hafifçe ısıtılarak kolayca çıkarılması bizi şaşırttı” diyor².

Depolanan nitrojen bileşiği, vakum altında 50 °C’de ters tepkimeye girer ve amonyağa dönüşür. Bu sıcaklık, gözenekli bileşiklerden amonyağı çıkarmak için gerekli olan 150 °C’den daha yüksektir. Bu durum EAPbI₃’ü aşındırıcı gazları kolay ve uygun maliyetli bir süreçte işlemek için ideal bir ortam haline getirir.

Tek boyutlu sütunlu yapıya geri dönüş yapıldıktan sonra perovskit tekrar kullanılabilir ve amonyağın tekrar tekrar depolanıp çıkarılmasına izin verir. Ayrıca normalde sarı olan bileşiğin tepkimeden sonra beyaza dönüşmesi de ayrı bir avantajdır. Kawamoto, “amonyak depolanırken bileşiğin renk değiştirme yeteneği, depolanan amonyak miktarını belirlemek için renk tabanlı amonyak sensörlerinin geliştirilebileceği anlamına gelir.” dedi.

Yeni depolama yönteminin gübreden ilaçlara ve tekstil ürünlerine kadar toplumun hemen hemen her yerinde kullanılacak farklı kullanım alanları vardır. Yoshihiro Ito, “Uzun vadede, bu basit ve verimli yöntemin, karbonsuz hidrojen taşıyıcısı olarak amonyak kullanımıyla karbondan arındırılmış bir topluma ulaşma çözümünün bir parçası olabileceğini umuyoruz.” dedi.

Kaynaklar

1. Muralidhar, J. R., Salikolimi, K., Adachi, K., Hashizume, D., Kodama, K., Hirose, T., … & Kawamoto, M. (2023). Chemical Storage of Ammonia through Dynamic Structural Transformation of a Hybrid Perovskite Compound. Journal of the American Chemical Society.
2. https://phys.org/news/2023-07-safe-easy-hydrogen.html