日本理化學研究所創發物性科學研究中心的專職研究員川本益揮（埼玉大學研究生院理工學研究科合作副教授）、伊藤嘉浩組長等人組成的聯合研究團隊發現了一種可以透過結構變化安全儲存氨的鈣鈦礦化合物。相關研究成果已發表在《Journal of the American Chemical Society》上。
圖１ 伴隨氨的儲存，鈣鈦礦化合物晶體發生顏色和結構的變化（供圖：理化學研究所）
氨因其具有較大的氫質量密度和氫體積密度，它作爲氫載體備受關注。然而，由於氨在常溫常壓下是一種高腐蝕性氣體，所以難以處理和儲存。因此，一般透過低溫或加壓的方式將氨液化後保存。近年來，研究表明透過將氨吸附到活性碳、沸石、金屬有機骨架這類多孔化合物的表面細小孔洞中，可實施在常溫常壓下氨的儲存。但是，由於這種方法仍然是將具有腐蝕性的氨氣體直接儲存，因此安全上還無法得到保障。
聯合研究團隊關注的鈣鈦礦化合物有一維（柱狀）、二維（層狀）和三維（立體）結構，當它接觸到水氣或化學物質蒸氣時，會將其吸收併發生結構變化。利用這種結構變化，特別是針對一維柱狀鈣鈦礦化合物柱結構之間存在的約0.9奈米分子大小的空間，研究團隊考慮了將氨接近該空間以此引發構造變化伴隨的化學反應。
首先，化學合成了一維柱狀鈣鈦礦化合物中結構最簡單的化合物（CH₃CH₂NH₃PbI₃）。該化合物呈黃色晶體，表面光滑無中孔。在常溫常壓下，使其接觸氨水蒸汽後，該化合物會變成白色晶體（Pb（OH）I）。透過X射線繞射分析發現，白色晶體呈二維層狀結構。
這種變化被認爲是由氨催化引發的化學反應，因此對該化學反應進行調查，結果顯示氨被化學轉化爲了二維層狀結構表面的兩種氮化合物（CH₃CH₂NH₂、NH₄I）。
儲存在二維層狀結構表面的氮化合物，在真空條件下加熱至50℃時發生逆反應，並重新變回氨。此時晶體從白色變爲黃色，恢復爲一維柱狀結構。恢復爲一維柱狀結構的鈣鈦礦化合物可以被重複利用，反復進行氨的儲存和釋放。與多孔化合物不同，鈣鈦礦化合物是以較低腐蝕性的氮化合物形式儲存氨，因此可以說是一種比較安全的儲存方式。此外，該儲存方式在釋放氨時與多孔性化合物相比溫度降低了100℃以上，使得處理腐蝕性氣體變得更加簡便。
該成果促進了氨的有效利用，並將爲實施去碳社會提供重要的指導。與多孔性化合物非選擇性地吸附氣體、分子和離子等各種物質相比，此次合成的鈣鈦礦化合物只對氨作出反應，因此可以從氣體混合物中有選擇性地儲存氨。
原文:《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Journal of the American Chemical Society
論文：Chemical Storage of Ammonia through Dynamic Structural Transformation of a Hybrid Perovskite Compound
DOI：10.1021/jacs.3c04181
