Разработка экологически чистых химических веществ часто сопряжена с компромиссами. Желаемые свойства, такие как безопасность и экологичность, могут сопровождаться нежелательными характеристиками, такими как нестабильность или гигроскопичность. Ученые постоянно ищут способы преодолеть эти ограничения, и одним из перспективных подходов является кокристаллизация. Этот метод позволяет объединять две молекулы для создания новых кристаллических структур с улучшенными свойствами.
Аммиачная селитра (NH4NO3, AN) является широко используемым удобрением и отличным окислителем, представляя собой более экологичную альтернативу окислителям, содержащим тяжелые металлы, такие как калий (K), стронций (Sr) и медь (Cu). Однако, AN имеет свои недостатки. Это вещество гигроскопично, то есть, легко поглощает влагу из воздуха, что ухудшает его свойства и создает проблемы при хранении и использовании. Кроме того, AN претерпевает фазовые переходы, которые влияют на его поведение как окислителя при сгорании.
Кокристаллизация открывает путь к решению проблем, связанных с AN. Исследовательская группа из Японии, работающая в сотрудничестве между несколькими организациями, включая Университет Йокогамы, Национальный институт безопасности и здоровья труда (JNIOSH) и Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST), представила результаты своей работы, опубликованные 6 ноября 2024 года в журнале Chemical Communications. Они сосредоточились на кокристаллизации AN с глицином (Gly) – одной из простейших аминокислот, широко распространенной в природе.
Ранее другими исследователями была предпринята попытка кокристаллизации AN с саркозином (Sar), другой аминокислотой, однако полученный кокристалл AN/Sar продемонстрировал высокое отрицательное значение кислородного баланса (OB) -61%. В отличие от саркозина, глицин имеет меньшее количество атомов углерода и водорода, что обеспечивает значительно лучший кислородный баланс (OB) -17% для кокристалла AN/Gly. Это означает, что кокристалл на основе глицина может более эффективно участвовать в реакциях окисления.
В результате проведенных экспериментов, кокристаллы AN/Gly продемонстрировали значительное снижение гигроскопичности по сравнению с чистой аммиачной селитрой. Более того, кокристаллизация полностью устранила фазовые переходы, что привело к повышению стабильности вещества. Важно отметить, что полученный материал успешно прошел тесты на чувствительность к трению, подтверждая безопасность обращения с ним.
Профессор Миэко Кумасаки из факультета окружающей среды и информационных наук Университета Йокогамы, один из авторов исследования, вместе с первым автором работы Кадзуки Иноуэ, также из Университета Йокогамы, и другими соавторами – Йосуке Нисиваки из JNIOSH, Синья Мацумото из Университета Йокогамы и Кеном Окадой из AIST, сделали важный шаг к созданию более безопасных и экологичных материалов. Их работа не только улучшила характеристики AN, но и показала перспективность кокристаллизации как инструмента для разработки инновационных материалов.
Основной целью этих исследований является разработка методологии для проектирования и производства безопасных, низкочувствительных и экологически чистых энергетических материалов. Этот подход открывает новые горизонты для производства удобрений и окислителей, которые были бы одновременно эффективными и безопасными для окружающей среды.
Изображение носит иллюстративный характер
Аммиачная селитра (NH4NO3, AN) является широко используемым удобрением и отличным окислителем, представляя собой более экологичную альтернативу окислителям, содержащим тяжелые металлы, такие как калий (K), стронций (Sr) и медь (Cu). Однако, AN имеет свои недостатки. Это вещество гигроскопично, то есть, легко поглощает влагу из воздуха, что ухудшает его свойства и создает проблемы при хранении и использовании. Кроме того, AN претерпевает фазовые переходы, которые влияют на его поведение как окислителя при сгорании.
Кокристаллизация открывает путь к решению проблем, связанных с AN. Исследовательская группа из Японии, работающая в сотрудничестве между несколькими организациями, включая Университет Йокогамы, Национальный институт безопасности и здоровья труда (JNIOSH) и Национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST), представила результаты своей работы, опубликованные 6 ноября 2024 года в журнале Chemical Communications. Они сосредоточились на кокристаллизации AN с глицином (Gly) – одной из простейших аминокислот, широко распространенной в природе.
Ранее другими исследователями была предпринята попытка кокристаллизации AN с саркозином (Sar), другой аминокислотой, однако полученный кокристалл AN/Sar продемонстрировал высокое отрицательное значение кислородного баланса (OB) -61%. В отличие от саркозина, глицин имеет меньшее количество атомов углерода и водорода, что обеспечивает значительно лучший кислородный баланс (OB) -17% для кокристалла AN/Gly. Это означает, что кокристалл на основе глицина может более эффективно участвовать в реакциях окисления.
В результате проведенных экспериментов, кокристаллы AN/Gly продемонстрировали значительное снижение гигроскопичности по сравнению с чистой аммиачной селитрой. Более того, кокристаллизация полностью устранила фазовые переходы, что привело к повышению стабильности вещества. Важно отметить, что полученный материал успешно прошел тесты на чувствительность к трению, подтверждая безопасность обращения с ним.
Профессор Миэко Кумасаки из факультета окружающей среды и информационных наук Университета Йокогамы, один из авторов исследования, вместе с первым автором работы Кадзуки Иноуэ, также из Университета Йокогамы, и другими соавторами – Йосуке Нисиваки из JNIOSH, Синья Мацумото из Университета Йокогамы и Кеном Окадой из AIST, сделали важный шаг к созданию более безопасных и экологичных материалов. Их работа не только улучшила характеристики AN, но и показала перспективность кокристаллизации как инструмента для разработки инновационных материалов.
Основной целью этих исследований является разработка методологии для проектирования и производства безопасных, низкочувствительных и экологически чистых энергетических материалов. Этот подход открывает новые горизонты для производства удобрений и окислителей, которые были бы одновременно эффективными и безопасными для окружающей среды.
