日本理化学研究所创发物性科学研究中心的专职研究员川本益挥（埼玉大学研究生院理工学研究科合作副教授）、伊藤嘉浩组长等人组成的联合研究团队发现了一种可以通过结构变化安全储存氨的钙钛矿化合物。相关研究成果已发表在《Journal of the American Chemical Society》上。
图１ 伴随氨的储存，钙钛矿化合物晶体发生颜色和结构的变化（供图：理化学研究所）
氨因其具有较大的氢质量密度和氢体积密度，它作为氢载体备受关注。然而，由于氨在常温常压下是一种高腐蚀性气体，所以难以处理和储存。因此，一般通过低温或加压的方式将氨液化后保存。近年来，研究表明通过将氨吸附到活性炭、沸石、金属有机骨架这类多孔化合物的表面细小孔洞中，可实现在常温常压下氨的储存。但是，由于这种方法仍然是将具有腐蚀性的氨气体直接储存，因此安全性上还无法得到保障。
联合研究团队关注的钙钛矿化合物有一维（柱状）、二维（层状）和三维（立体）结构，当它接触到水蒸气或化学物质蒸气时，会将其吸收并发生结构变化。利用这种结构变化，特别是针对一维柱状钙钛矿化合物柱结构之间存在的约0.9纳米分子大小的空间，研究团队考虑了将氨接近该空间以此引发构造变化伴随的化学反应。
首先，化学合成了一维柱状钙钛矿化合物中结构最简单的化合物（CH₃CH₂NH₃PbI₃）。该化合物呈黄色晶体，表面光滑无细孔。在常温常压下，使其接触氨水蒸汽后，该化合物会变成白色晶体（Pb（OH）I）。通过X射线衍射分析发现，白色晶体呈二维层状结构。
这种变化被认为是由氨催化引发的化学反应，因此对该化学反应进行调查，结果显示氨被化学转化为了二维层状结构表面的两种氮化合物（CH₃CH₂NH₂、NH₄I）。
储存在二维层状结构表面的氮化合物，在真空条件下加热至50℃时发生逆反应，并重新变回氨。此时晶体从白色变为黄色，恢复为一维柱状结构。恢复为一维柱状结构的钙钛矿化合物可以被重复利用，反复进行氨的储存和释放。与多孔化合物不同，钙钛矿化合物是以较低腐蚀性的氮化合物形式储存氨，因此可以说是一种比较安全的储存方式。此外，该储存方式在释放氨时与多孔性化合物相比温度降低了100℃以上，使得处理腐蚀性气体变得更加简便。
该成果促进了氨的有效利用，并将为实现脱碳社会提供重要的指导。与多孔性化合物非选择性地吸附气体、分子和离子等各种物质相比，此次合成的钙钛矿化合物只对氨作出反应，因此可以从混合气体中有选择性地储存氨。
原文:《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Journal of the American Chemical Society
论文：Chemical Storage of Ammonia through Dynamic Structural Transformation of a Hybrid Perovskite Compound
DOI：10.1021/jacs.3c04181
