10 Minute
Oamenii de știință se îndreaptă către o clasă surprinzătoare de compuși bidimensionali—MXene—pentru a regândi modul în care producem combustibili și substanțe chimice esențiale. Aceste materiale cu grosime de un atom, construite din carburi și nitruri ale metalelor de tranziție, oferă o chimie ajustabilă și performanțe promițătoare ca electrocatalizatori, care ar putea conduce la o producție mai curată de amoniac și la sisteme de energie regenerabilă mai eficiente. Pe lângă aplicabilitatea lor în electrocataliză, MXene prezintă proprietăți electrice remarcabile, conductivitate ridicată și suprafețe care pot fi funcționalizate cu grupe terminale (O, OH, F), ceea ce le face interesante pentru stocarea energiei, electronica și reducerea emisiilor în industrie.
De ce atrag MXene atenția cercetătorilor
MXene sunt materiale subțiri, stratificate, a căror compoziție poate fi reglată la nivel atomic. Această flexibilitate este esențială: prin înlocuirea unor elemente din rețea — de exemplu introducerea azotului în locul carbonului — cercetătorii pot modifica reactivitatea la suprafață, comportamentul electronic și modurile vibratorii (modurile fononice). În termeni practici, MXene pot fi proiectate pentru a favoriza anumite reacții chimice, inclusiv conversia electrochimică a azotului atmosferic în amoniac (NH3) prin reducerea azotului (NRR). Controlul fin al structurii atomice permite ajustarea energiei de adsorbție, a poziției benzii d și a activității catalitice, parametri esențiali pentru optimizarea selectivității și a suprapotențialului în electrocataliză. De asemenea, posibilitatea de a combina diferite metale de tranziție și de a crea heterostructuri deschide noi direcții pentru catalizatori compoziti, care pot îmbina stabilitatea mecanică cu activitatea chimică ridicată.
Producerea amoniacului în prezent este intensivă din punct de vedere energetic, bazându-se pe procesul Haber-Bosch, folosit de peste un secol, care consumă combustibili fosili și emite cantități importante de CO2. Abordările electrocatalitice alimentate cu energie regenerabilă promit o cale mai curată, dar ele necesită catalizatori eficienți, durabili și ieftini. Variantele nitride de MXene, în special, apar ca alternative viabile la catalizatorii tradiționali costisitori pe bază de metale prețioase (cum ar fi Pt sau Ru). Proprietățile lor — abundență relativă a componentelor, posibilitatea de reglare a suprafețelor și conductivitate eletrică bună — pot reduce dependența de metale rare și pot scădea costurile pe termen lung în sinteza electrocatalitică a amoniacului. În plus, flexibilitatea sintetică a MXene permite ajustarea terminațiilor și a porozității, factori importanți pentru gestionarea transportului de masă în electrozi poroși.
MXene (imaginea de mai sus) reprezintă o nouă clasă de materiale bidimensionale compuse din carburi și nitruri ale metalelor de tranziție, cu proprietăți electrice și chimice extrem de reglabile. Versatilitatea lor remarcabilă și potențialul în energie regenerabilă, cataliză și electronică i-au determinat pe unii oameni de știință să le numească materiale minune. Credit: Dr. Abdoulaye Djire/Texas A&M University
Transformarea aerului în îngrășământ: promisiunea sintezei amoniacului
Amoniacul este esențial pentru producția de îngrășăminte și reprezintă, de asemenea, un vector energetic promițător datorită densității sale energetice și a posibilității de stocare și transport. Echipa condusă de Dr. Abdoulaye Djire și Perla Balbuena la Texas A&M University, împreună cu doctorandul Ray Yoo, a studiat modul în care MXene pot cataliza reacțiile electrochimice de reducere a azotului (NRR). Munca lor, publicată în Journal of the American Chemical Society, sugerează că MXene nitride pot îmbunătăți semnificativ performanța electrocatalitică comparativ cu omologii lor pe bază de carburi, prin reducerea suprapotențialului și creșterea selectivității pentru amoniac. Rezultatele indică faptul că anumite compoziții nitride pot facilita etapele inițiale de activare a moleculului N2 și pot stabiliza intermediarii necesari formării NH3.
Elementul cheie al acestei îmbunătățiri este comportamentul atomilor de azot din rețea (lattice nitrogen). Permițând protonarea și reîncărcarea azotului din rețea în condiții electrochimice, MXene pot participa dinamic în calea reacției. Aceasta înseamnă că materialul nu este doar o suprafață pasivă: compoziția sa atomică poate interacționa activ, legând și transformând moleculele de azot (N2) în amoniac (NH3). Acest tip de mecanism dinamic poate semăna cu procesele de tip Mars–van Krevelen observate la oxizi, unde atomii din rețea intră și ies din ciclul reacțional, dar în cazul MXene implicațiile asupra durabilității și regenerării sunt specifice structurii bidimensionale și termodinamicii de suprafață. În practică, acest comportament poate conduce la o economie de energie între etapele de activare și la o selectivitate mai bună pentru NH3 față de reacțiile competitive, cum ar fi evoluția de hidrogen (HER).
Evidențe computaționale și spectroscopice: înțelegerea mecanismului
Cercetarea combină modelare computațională de primă principii (de exemplu calcule DFT) cu spectroscopie de laborator pentru a oferi o imagine detaliată a mecanismelor implicate. Hao-En Lai, doctorand în grupul Dr. Balbuena, a folosit simulări atomistice pentru a cuantifica modul în care solvenții și intermediarii reacției modifică modurile vibratorii ale suprafeței MXene. Aceste schimbări sunt importante: proprietățile vibratorii (modurile fononice) influențează modul în care moleculele se adsorb pe suprafață și reacționează, afectând barierele energetice și ratele catalitice. Astfel, computațiile permit estimarea energiei de adsorbție a speciilor intermediare, a căilor de reacție favorabile și a potențialelor necesare pentru reducerea azotului în comparație cu reacțiile parazite.
Din punct de vedere experimental, grupul lui Djire a investigat MXene din nitrit de titan (titanium nitride) folosind spectroscopie Raman, o tehnică nondistructivă care cartografiază semnăturile vibrationale ale unui material. Spectrele Raman au evidențiat modificări asociate cu reactivitatea azotului din rețea, oferind o probă spectroscopică directă a modului în care MXene participă la reducerea electrocatalitică a azotului. Corelarea rezultatelor teoretice cu semnăturile spectroscopice permite identificarea regiunilor active, a tipurilor de legături care se formează și a efectelor mediului electrochimic (de exemplu pH, specie ionică) asupra performanței catalitice. Complementar, tehnici precum spectroscopia XPS, microscopia TEM și măsurători electrochimice (curba voltametrică ciclică, testele de stabilitate la chronoamperometrie) sunt folosite pentru a valida starea de oxidare, structura atomică și performanța în timp real a electrodului.
"Obiectivul nostru este să mergem dincolo de ideea că performanța unui catalizator depinde doar de elementul metalic", a explicat Djire. Echipa pune în schimb accent pe contextul structural complet — atomii rețelei, dinamica vibrațională și interacțiunile cu solvenții — atunci când evaluează funcția catalitică. Această perspectivă integrată (teorie + spectroscopie + electrochimie) este esențială pentru a stabili reguli de proiectare (design rules) care pot ghida sinteza materialelor și optimizarea lor pentru aplicații industriale. Regulile de proiectare pot include criterii legate de energia de adsorbție a N2, stabilitatea atomilor din rețea la cicluri repetate și modul în care terminațiile de suprafață modulează selectivitatea pentru NH3 peste HER.
Ce înseamnă asta pentru energie regenerabilă și industrie
Dacă MXene pot fi reglate în mod fiabil pentru a conduce sinteza amoniacului cu eficiență ridicată și cu suprapotențial scăzut, implicațiile sunt semnificative. O producție de amoniac mai curată ar putea decarboniza fabricarea îngrășămintelor la scară globală și ar putea permite utilizarea amoniacului ca înlocuitor al combustibililor fosili în anumite roluri de stocare și transport al energiei, cum ar fi combustia sau conversia în hidrogen. Datorită abundenței relative a elementelor care intră în compoziția multor MXene și a posibilității de a regla proprietățile lor, dependența de metale prețioase rare ar putea fi redusă în multe clase de electrocatalizatori, ceea ce ar avea efecte pozitive asupra costurilor și securității lanțului de aprovizionare. În plus, sinteza locală de amoniac folosind energie solară sau eoliană ar putea scădea nevoia de transport pe distanțe mari a îngrășămintelor, reducând emisiile asociate logisticii.
Totuși, rămân provocări importante. Translatarea cunoștințelor la scară atomică în electrozi scalabili cere rezolvarea problemelor de stabilitate a materialului, transport de masă în dispozitive reale și reproducibilitate pe termen lung. Controlul terminărilor de suprafață (de exemplu O, OH, F) obținute în timpul sintezei MXene afectează foarte mult reacția electrocatalitică și trebuie optimizat. De asemenea, este esențială integrarea MXene în structuri de electrod (de exemplu pe suporturi poroase, paste conductoare sau heterostructuri) astfel încât contactul electric, permeabilitatea pentru reactanți și durabilitatea mecanică să fie asigurate. Alte aspecte de cercetare includ modul în care MXene interacționează cu electroliții (protic vs aprotic), modularea proceselor de adsorbție/desorbție și proiectarea reactorilor pentru a minimiza pierderile energetice și a menține randamentul în condiții operaționale. Pe partea de sinteză, metodele obișnuite pentru obținerea MXene implică etcherea fazelor MAX cu agenți precum HF sau sisteme LiF+HCl; adaptarea acestor procese pentru a produce nitruri cu terminații controlate și structură stabilă rămâne o provocare tehnologică importantă.
Expertiză de specialitate
"MXene ne oferă un nivel fără precedent de control asupra chimiei de suprafață a catalizatorilor", spune Dr. Elena Marquez, o cercetătoare în materiale neimplicată în studiu. "Prin combinarea teoriei și spectroscopiei, echipe precum cea a lui Djire pot identifica reguli de proiectare care orientează sinteza către dispozitive aplicabile în lumea reală. Următorii pași vor consta în ingineria stabilității și integrarea acestor materiale în electrolizoare prototip."
Pe măsură ce domeniul progresează, MXene ar putea deveni o piatră de temelie a producției chimice alimentate de energie regenerabilă — făcând legătura între știința materialelor fundamentale și necesitățile urgente din domeniul climatic și agricol. Acest lucru implică atât cercetare fundamentală pentru a înțelege mecanismele la nivel atomic, cât și dezvoltare aplicată pentru a aduce materiale în sisteme tehnologice fiabile și scalabile. Pe termen mediu și lung, adoptarea pe scară largă a electrocatalizatorilor pe bază de MXene ar putea conduce la sisteme distribuite de producție a amoniacului, sinergii cu electrificarea rețelelor și noi modele de afaceri în agricultură și energie.
Echipele de cercetare continuă să rafineze modelele computaționale, să extindă caracterizările experimentale (inclusiv imagistică la rezoluție atomică, spectroscopii complementare și măsurători electrochimice în condiții practice) și să testeze MXene în condiții operaționale reale. Cu efort multidisciplinar — combinând chimie, fizică, inginerie și știința materialelor — aceste materiale bidimensionale pot contribui la rescrierea modului în care producem substanțe chimice vitale și la valorificarea eficientă a energiei regenerabile pentru o economie cu emisii reduse de carbon.
Sursa: scitechdaily
Lasă un Comentariu