Hantering, lagring, och frakt av ammoniak kräver kostsam utrustning och speciella försiktighetsåtgärder på grund av dess inneboende frätande och toxicitet. Forskare i Manchester, STORBRITANNIEN, har funnit att ett metall-organiskt ramverk, MFM-300(Al), ett poröst fast ämne, filtrerar inte bara effektivt skadlig kvävedioxidgas, men den har också enastående kapacitet för ammoniaklagring. Som beskrivs i journalen Angewandte Chemie , reversibelt upptag och frisättning av ammoniak sker genom ett unikt sorptionssätt.

Ammoniak är en viktig kvävekälla för växter och det är en grundläggande kemikalie. Denna oumbärliga kemikalie, som tillverkas i stor skala av atmosfäriskt kväve och väte, har kallats "bröd från luften". Men hur ska denna resurs lagras och hanteras? Den gasformiga eller flytande formen är frätande och giftig. Lagring och frakt under tryck eller vid låga temperaturer är kostsamt och energikrävande. Adsorption i porösa fasta ämnen, såsom zeoliter eller metall-organiska ramverk – en strategi som för närvarande testas omfattande inom vätelagring – kan vara ett intressant alternativ.

Det robusta metallorganiska ramverket MFM-300(Al) har visat sig vara ett potent filter för kvävedioxid, som är en skadlig förorening i luften. Martin Schröder och hans kollegor vid University of Manchester, STORBRITANNIEN, har nu granskat MFM-300(Al) för dess förmåga att ta upp ammoniak. De upptäckte att det kunde ta upp gasformig ammoniak upp till en densitet som kommer nära den för flytande ammoniak under omgivande förhållanden. Vid runt noll grader Celsius översteg den till och med denna densitet.

MFM-300(Al) består av aluminiumhydroxiddelar och organiska bifenyltetrakarboxylsyraligander som överbryggar aluminiumställena för att bilda ett styvt "vinställ" som författarna kallade det. Istället för vinflaskor, gasmolekyler ligger i nanokanalerna och porerna.

Som bas, ammoniak binder till sura centra. Författarna identifierade tre distinkta bindningslägen baserade på elektrostatiska interaktioner. Totalt, fyra ammoniakmolekyler associerade med ett aluminiumcentrum, och ett fyrkantigt "vinställ" tomrum, kan fyllas med upp till 16 gasmolekyler. Forskarna bestämde bindningssätten genom neutronpulverdiffraktion och förfining - en teknik som kan lösa de strukturella detaljerna med atomupplösning.

Författarna upptäckte att packningen av ammoniakmolekylerna var nästan lika tät som i en vätska, och adsorptionen var reversibel. Att fylla och släppa porerna upp till 50 gånger var möjligt utan någon förlust av kapacitet eller försämring av ramverket, sa de.

Och det finns ett unikt sorptionsläge. Med hjälp av märkningsexperiment där vätet i ammoniak ersattes med deuterium, forskarna upptäckte snabbt deuteriumutbyte med väte från porväggarna. Detta tyder på att sorptionsläget inte kunde vara ren fysisorption baserad enbart på elektrostatiska interaktioner. Dock, kemisorption var inte heller ansvarig, eftersom inga adsorberande bindningar hade bildats vid gränsytan. "Betydligt nog, adsorptionen av deutererad ammoniak i MFM-300(Al) avslöjade en ny typ av adsorption, ", anmärkte författarna. Snabbt platsutbyte kan vara en av anledningarna till effektivt ammoniakupptag.

Detta arbete visar att det metallorganiska ramverket är lämpligt för ammoniaklagring och hantering vid tätheter nära den för flytande och trycksatta gasen. Ammoniak, "bröd från luften", kunde verkligen uppnå brödets konsistens.