Akira Takahashi (forskare) och institutionella medarbetare har upptäckt att det blå pigmentet preussiskt blått har en högre adsorptionskapacitet än vanliga ammoniakadsorbenter, och kontrollerade strukturen av preussisk blått för att syntetisera preussiska blåanaloger med högre ammoniakadsorptionskapacitet.

Preussisk blått är ett pigment som använts sedan tidig tid. I föreliggande studie, forskarna fann att preussiskt blått adsorberar mer ammoniak än vanliga adsorbenter som zeolit ​​och aktivt kol. I analoger med metalljonerna som ingår i preussisk blått ersatta av andra metalljoner och fler defekter, mängden absorberad ammoniak ökade. Vidare, medan vanliga ammoniakadsorbenter har låg adsorptionskapacitet för lågkoncentration av ammoniak, Preussisk blått kunde adsorbera lågkoncentrerad ammoniak i luften vid "luktfria nivåer". Det bekräftades också att de preussiska blåanalogerna kan frigöra ammoniak när de väl adsorberats, gör dem återanvändbara.

Denna teknik förväntas användas som en ammoniakluktmotåtgärd i vårdhem, en teknik för att undertrycka PM 2.5-generering, och en teknik för att ta bort ammoniak i vätebränsle.

Detaljer om denna teknik kommer att publiceras i en amerikansk kemitidskrift, Journal of the American Chemical Society .

Ammoniak är det mest producerade kemiska ämnet i världen, med dess primära användningsområden som råvara för kemiska produkter som konstgödsel och fibrer. Än, ammoniak är också ett illaluktande ämne, och urin, till exempel, sönderdelas till ammoniak och orsakar dålig lukt. Också, ammoniak i atmosfären är en orsakande substans av det fina partikelmaterialet PM 2,5, tros huvudsakligen härröra från ammoniak som försvinner från jordbruket och boskapsindustrin. Därför, Det krävs en teknik för att avlägsna utspädd ammoniak i atmosfären. Dessutom, om ammoniak finns i väte som tillförs en bränslecell, det har en negativ effekt på bränslecellens kraftgenereringskapacitet, så internationella standarder för väte för bränslecellsfordon kräver en ammoniakkoncentration på mindre än 0,1 ppm. Särskilt i Japan, regeringen främjar utvecklingen av teknik för att göra väte från ammoniak, så en teknik för att ta bort ammoniak från vätebränsle är avgörande.

För närvarande, aktivt kol, zeolit, och jonbytarhartser används som vanliga ammoniakadsorbenter. Dock, dessa adsorbenter har problem som svårigheter att återanvända, låg adsorptionskapacitet för lågkoncentration av ammoniak, och höga priser. Så, det har funnits efterfrågan på billiga och återanvändbara ammoniakadsorbenter som uppvisar hög adsorptionskapacitet även för lågkoncentrerad ammoniak.

Nyligen, porösa koordinationspolymerer som består av metalljoner och små molekyler, med fina rumsliga nätverk inuti, har fått uppmärksamhet som nya material för gasadsorption och återvinning. AIST har bedrivit forskning och utveckling av avlägsnande av skadliga ämnen med hjälp av porösa koordinationspolymerer. Särskilt, AIST har avancerad utveckling med porösa koordinationspolymerer, dvs preussiska blåtypskomplex, att adsorbera radioaktivt cesium med hög effektivitet, och använda dem i en volymreducerande teknologi för växtbaserad kontaminering.

I föreliggande studie, forskarna använde strukturen av preussisk blå och preussisk blå analoger för att utveckla en teknik för att avlägsna ammoniakgas, samtidigt som man strävar efter att förbättra ammoniakadsorptionskapaciteten genom strukturell kontroll på atomnivå.

Preussiskt blått är ett blått pigment med en historia på över 300 år, och användes för målning av Vincent van Gogh, Katsushika Hokusai, och andra. Preussiskt blått har en struktur där järnjoner (Fe) och hexacyanoferratjoner ([Fe(CN) ₆ ]) är anslutna tredimensionellt, med cirka 0,5 nanometer (nm) mikroskopiska utrymmen (interstitiala platser) som kan fånga ammoniak (Fig 1 (a)). Strukturen av preussiskt blått kan kontrolleras i atomär skala, till exempel att ersätta järnjoner med andra metalljoner eller göra defekter där hexacyanoferratjonerna ([Fe(CN) ₆ ]) saknas (fig. 1 (b)). I föreliggande studie, forskarna fokuserade på det faktum att exponerade metalljoner i dessa defekter (vakansplatser) lätt bildar koordinationsbindningar med molekyler, och undersökte om olösligt preussiskt blått med defekter kan absorbera ammoniak med hög densitet eller inte. För att öka vakansen så mycket som möjligt, en metod utarbetades för att öka antalet defekter, samtidigt som man minskar innehållet av alkalimetalljoner som sannolikt inducerar de interstitiella platserna. Forskarna skapade därmed en kobolt-substituerad preussisk blå analog (Co[Co(CN) ₆ ] _0,60 , CoHCC) och en kopparsubstituerad preussisk blå analog (Cu[Fe(CN) ₆ ] _0,50 , CuHCF) och utvärderade deras ammoniakadsorptionskapacitet tillsammans med preussiskt blått.

Först, forskarna utvärderade adsorptionsmängden i ren ammoniak som den grundläggande prestandan hos adsorbenter. Figur 2 visar sambanden mellan ammoniaktrycket och adsorptionsmängderna när preussisk blått, CoHCC, och CuHCF placerades i ammoniak respektive. Den visar också data för typerna med högst adsorptionsmängd från ett dokument som utvärderar och jämför olika produkter för de vanliga adsorbenterna som jonbytarhartser, zeolit, och aktivt kol). Ammoniakadsorptionsmängden av preussiskt blått var 12,4 mol (211 g)/kg vid 1 atm, ett högre värde än vanliga adsorbenter. Detta motsvarar adsorption av 11 ammoniakmolekyler per enhetscell av preussiskt blått med en volym på cirka 1 nm ³ . Vidare, analogerna CoHCC och CuHCF visade höga adsorptionsmängder på 21,9 mol (373 g)/kg respektive 20,6 mol (351 g)/kg. CoHCC hade i synnerhet en ammoniakadsorptionsmängd på 16,2 molekyler per enhetscell, adsorberar 93 procent av den uppskattade maximala adsorptionsmängden på 17,6 molekyler.

Nästa, forskarna placerade en film av preussisk blått i ett vanligt laboratorium som visade en ammoniakkoncentration på 0,015 ppm, och undersökte adsorptionsbeteendet för utspädd ammoniak. Som ett resultat, ammoniakadsorptionsmängden för den preussiska blå filmen ökade med tiden, visar en adsorptionsmängd av 0,3 mol (5,1 g)/kg (fig. 3 (a)). Detta innebär att utspädd koncentration av ammoniak i atmosfären adsorberades och fångades i det fina utrymmet av preussisk blått som motsvarar 1 del av 700, 000, 000 volymkonvertering. Man tror att preussiskt blått kan adsorbera sådan utspädd ammoniak eftersom adsorberad ammoniak (NH) ₃ ) reagerar med vatten i preussisk blått för att bilda en ammoniumjon (NH ₄ ⁺ ), är stabiliserad, och är fångad inuti Preussian blue utan att återutsläppas i luften. Ammoniakadsorptionskapaciteten hos jonbytarhartset (Amberlyst) och zeoliten i ett rum, där ammoniak med samma koncentration finns. Zeolit ​​adsorberade nästan ingen ammoniak alls. Jonbytarhartset uppvisade liknande adsorptionskapacitet som preussiskt blått, men det är extremt dyrt. Dessa fakta indikerade preussiskt blåtts överlägsenhet.

Vidare, för att kontrollera att ammoniak adsorberas av preussiskt blått tillräckligt snabbt, forskarna fyllde ett tunt rör med preussiskt blått, och låt luft innehållande cirka 1 ppm ammoniak passera igenom med en hastighet så att den preussiska blåen och luften var i kontakt endast under 2 millisekunder. Som visas i fig. 3 (b), efter att luft med en ammoniakkoncentration på 0,86 ppm passerat genom röret, den minskade till 0,036 ppm, adsorbera och ta bort 96 procent av ammoniaken. Dessutom, i de tester som utförts på samma sätt, både CuHCF och CoHCC adsorberade och avlägsnade över 90 procent av ammoniaken.

Till sist, forskarna kontrollerade om de nytillverkade analogerna kunde användas upprepade gånger som adsorbenter. Som ett resultat, i applikationer som avlägsnade utspädd ammoniak från atmosfären, den adsorberade ammoniaken desorberades genom att skölja CuHCF med en utspädd syra, och CuHCF visade sig vara återanvändbart som adsorbent. Också, i applikationer för att lagra ren ammoniak, CoHCC var kapabel till upprepad användning.

De preussiska blåanalogerna som används i denna studie liknar material som hittills använts som radioaktiva cesiumadsorbenter, och det finns en mängd olika formningstekniker för de radioaktiva cesiumadsorbenterna, såsom granulat och non-woven-tyger som stöder en absorbent. AIST kommer att fortsätta utvecklingen så att preussisk blått och dess analoger kan användas som ammoniakadsorbenter, som att utveckla fiberduk som stöder preussisk blått för att installera dem på ventilatorer i anläggningar som har potential för ammoniak att skingras, inklusive i grishus och kompostbyggnader, och ta bort ammoniak som kan orsaka dålig lukt och PM 2,5, och utveckla gasventilationsrör belagda med preussiskt blått på sin inre yta som kan installeras i vätgasstationer för att avlägsna ammoniak. Dessutom, AIST planerar att söka företag för gemensam forskning och tekniköverföring, och syftar till praktisk användning av ammoniakavlägsnande och ammoniaklagring.