09.10.2018 - University of Manchester

Ein Regal für Ammoniak

Metallorganische Gerüstverbindung als robustes Speichermaterial für Ammoniak bei fast der Dichte von verflüssigtem Gas

Reiner Ammoniak kann wegen seiner aggressiven Eigenschaften und Giftigkeit nur unter aufwändigen Vorkehrungen gehandhabt werden. Wissenschaftler aus Manchester, Großbritannien, haben nun entdeckt, dass die metallorganische Gerüstverbindung MFM-300(Al), die schädliches Stickstoffdioxid filtern kann, auch ein effizienter Speicher für Ammoniak sein kann. In der Zeitschrift Angewandte Chemie beschreiben sie Aufnahme und Freisetzung von Ammoniak in und aus dem porösen Feststoff nach einem besonderen Sorptionsmechanismus.

Ammoniak ist eine essentielle Stickstoffquelle für Pflanzen und industrielle Grundchemikalie. Wegen seiner Unverzichtbarkeit und der industriellen Herstellung aus Luftstickstoff und Wasserstoff wurde es auch „Brot aus der Luft“ genannt. Wie aber mit diesem Brot umgehen? Als Gas oder verflüssigtes Gas ist Ammoniak korrosiv und giftig. Es unter Druck oder bei tiefen Temperaturen verflüssigt zu lagern und zu transportieren, ist teuer und energieintensiv. Eine Alternative könnte sein, es in porösen Festkörpern wie Zeoliten oder metallorganischen Gerüsten zu speichern, wie es derzeit umfassend für Wasserstoff geprüft wird.

Die metallorganische Gerüstverbindung MFM-300(Al) findet derzeit viel Beachtung als potentieller Filter für den Luftschadstoff Stickstoffdioxid. Martin Schröder und seine Kollegen an der University of Manchester haben nun MFM-300(Al) auch als mögliches Speichermaterial für Ammoniak unter die Lupe genommen. Sie fanden heraus, dass es Ammoniakgas schon bei Raumtemperatur bis zu einer Dichte knapp unter der von flüssigem Ammoniak aufnehmen kann. Bei etwa null Grad Celsius war die Dichte sogar erreicht.

MFM-300(Al) ist aus Aluminiumhydroxideinheiten aufgebaut, die von organischen Liganden, einer Biphenyltetracarbonsäure, verbrückt werden. Ergebnis ist eine „Weinregal-“Struktur, wie die Autoren die Anordnung nennen. Nicht Weinflaschen, sondern Gasmoleküle finden in den Nanokanälen und -poren Platz.

Das basische Ammoniak kann an saure Gruppen im Gerüst anlagern. Drei verschiedene Bindungmoden haben die Autoren identifiziert. Insgesamt kamen vier Ammoniak auf eine Aluminiumeinheit, und in jede quadratische „Weinregal“-Lücke konnten bis zu 16 Gasmoleküle Platz finden. Die Bindungsarten bestimmten die Wissenschaftler durch Neutronenstreuung und computergestützte Analyse, mit denen sie Strukturen atomgenau auflösen konnten.

Demnach waren die Ammoniakmoleküle fast so dicht wie in flüssigem Ammoniak gepackt. Und die Einlagerung war reversibel. Bis zu 50 Mal konnten die Poren gefüllt und wieder geleert werden, ohne dass das Material Kapazitätsverlust oder Abbau erlitt, so die Autoren.

Der Sorptionsmodus war außerdem sehr ungewöhnlich. Bei Experimenten mit deuteriertem Ammoniak, der das schwerere Wasserstoffisotop Deuterium enthält, bemerkten die Wissenschaftler einen raschen Austausch des Deuteriums mit dem Wasserstoff der Porenwände. Also konnten nicht nur elektrostatische Wechselwirkungen zur Sorption beitragen, wie es bei reiner Physisorption der Fall ist. Aber es war auch nicht Chemisorption, denn an den Grenzflächen gab es keine chemische Bindung. „Die Adsorption von deuteriertem Ammoniak in MFM-300(Al) verlief klar nach einem neuen Mechanismus“, betonten die Autoren. Dieser neue Modus könnte für die effiziente Ammoniakaufnahme mit verantwortlich sein.

Die Arbeit zeigt, dass sich die metallorganische Gerüstverbindung für die Speicherung und Handhabung von Ammoniak bei einer Dichte fast wie in verflüssigtem Gas eignen könnte. Ammoniak, das „Brot aus der Luft“ bekäme dann tatsächlich die Konsistenz von Brot.

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