5 Minutės
Mokslininkai kreipiasi į netikėtą dvimatę junginių grupę — MXenus — peržiūrėdami, kaip gaminti kurui ir svarbioms cheminėms medžiagoms. Šios atomais plonos medžiagos, sudarytos iš pereinamųjų metalų karbidų ir nitridų, turi reguliuojamą cheminiį pobūdį ir perspektyvių elektrokatalizinių savybių, kurios gali lemti švaresnę amoniako sintezę ir efektyvesnes atsinaujinančios energijos sistemas.
Why MXenes are grabbing researchers' attention
MXenai yra plonos, sluoksniškos medžiagos, kurių sudėtį galima tiksliai reguliuoti atominiu lygiu. Ši lankstumas yra lemiamas: keičiant elementus tinklelyje — pavyzdžiui, įvedant azotą vietoje anglies — tyrėjai gali pakeisti paviršiaus reaktyvumą, elektronines savybes ir virpesių režimus. Praktikoje MXenus galima projektuoti taip, kad jie skatintų konkrečias chemines reakcijas, įskaitant elektrokatalizinį atmosferinio azoto pavertimą amoniaku.
Šiandien amoniako gamyba yra energijai imli, remiasi daugiau nei šimtmetį naudojamu Haber–Bosch procesu, kuris naudoja iškastinį kurą ir išskiria didelius CO2 kiekius. Elektrokataliziniai metodai, varomi atsinaujinančia elektra, žada švaresnį kelią, tačiau tam reikalingi katalizatoriai, kurie būtų efektyvūs, ilgaamžiai ir nebrangūs. MXenai, ypač nitridinės rūšys, išryškėja kaip perspektyvi alternatyva tradiciniams brangiems katalizatoriams, pagamintiems iš tauriųjų metalų.
MXenai (pavaizduoti aukščiau) yra nauja dvimatė medžiagų klasė, sudaryta iš pereinamųjų metalų karbidų ir nitridų, turinti labai reguliuojamas elektrines ir chemines savybes. Jų išskirtinė universalumas ir potencialas atsinaujinančios energijos, katalizės ir elektronikos srityse lėmė, kad kai kurie mokslininkai jas vadina stebuklinga medžiaga. Nuotraukos kreditas: Dr. Abdoulaye Djire/Texas A&M University
Turning air into fertilizer: the promise for ammonia synthesis
Amoniakas yra esminė trąšų gamybai ir taip pat perspektyvus energijos nešėjas. Daktarų Abdoulaye Djire ir Perla Balbuena vadovaujama komanda Texas A&M University, kartu su doktorantu Ray Yoo, tiria, kaip MXenai gali katalizuoti elektrokatalizines azoto redukcijos reakcijas (NRR). Jų darbai, paskelbti Journal of the American Chemical Society, rodo, kad nitridiniai MXenai gali žymiai pagerinti elektrokatalitinį našumą, palyginti su karbidų atitikmenimis.
Pagrindinis šio pagerėjimo veiksnys yra tinklo (lattice) azoto atomų elgsena. Leisdami protonacijai ir tinklo azoto atsistatymui elektrokatalizės sąlygomis, MXenai gali dinamiškai įsitraukti į reakcijos kelią. Tai reiškia, kad medžiaga neveikia tik kaip pasyvus paviršius: jos atominė sandara gali aktyviai prisijungti ir transformuoti azoto molekules į amoniaką.
Computational and spectroscopic evidence: understanding the mechanism
Tyrimas derina pirmųjų principų (first-principles) kompiuterinį modeliavimą su laboratorine spektroskopija. Hao‑En Lai, doktorantas Dr. Balbuena grupėje, panaudojo atomistines simuliacijas kiekybiškai nustatyti, kaip tirpikliai ir reakcijos tarpiniai produktai keičia MXenų paviršiaus virpesių režimus. Šie pokyčiai yra svarbūs: virpesių savybės veikia, kaip molekulės adsorbuojasi ir reaguoja ant paviršiaus.
Eksperimentiniu būdu Djire grupė tirė titano nitridų MXenus Raman spektroskopija — nedestruktyvia technika, koja žemėlapiuoja medžiagos virpesių ženklus. Raman spektrai atskleidė pokyčius, susijusius su tinklo azoto reaktyvumu, suteikdami tiesioginį spektroskopinį įrankį suprasti, kaip MXenai dalyvauja elektrokatalizinėje azoto redukcijoje.
„Mūsų tikslas — išeiti už idėjos, kad katalizatoriaus veikimas priklauso tik nuo metalinio elemento,“ — paaiškino Djire. Vietoj to komanda pabrėžia visą struktūrinį kontekstą — tinklo atomus, virpesių dinamiką ir tirpiklio sąveikas — vertinant katalizinę funkciją.
What this means for renewable energy and industry
Jei MXenai bus patikimai pritaikomi amoniako sintezei esant aukštam efektyvumui ir žemam perdengimo potencialui (low overpotential), pasekmės bus didelės. Švaresnė amoniako gamyba galėtų dekarbonizuoti trąšų pramonę ir leisti amoniakui tam tikrose energijos kaupimo bei transportavimo srityse pakeisti iškastinį kurą. MXenų santykinis gausumas ir reguliuojamumas taip pat gali sumažinti priklausomybę nuo retų tauriųjų metalų įvairiuose elektrokatalizatoriuose.
Vis dėlto išlieka iššūkiai. Atominių lygmenų įžvalgų perkėlimas į mastelius reikalauja spręsti medžiagų stabilumo klausimus, masės transportą realiuose įrenginiuose ir ilgalaikį atkuriamumą. Tyrėjai taip pat turi optimizuoti, kaip MXenai sąveikauja su elektrolitais ir kaip juos integruoti į praktiškus reaktorių dizainus.
Expert Insight
„MXenai suteikia precedento neturinčią kontrolę dėl katalizatoriaus paviršiaus chemijos,“ teigia medžiagų mokslininkė Dr. Elena Marquez, neįtraukta į minėtą tyrimą. „Derindamos teoriją ir spektroskopiją, tokios komandos kaip Djire gali nustatyti projektavimo taisykles, kurios nukreips sintezę link realių prietaisų. Kiti žingsniai bus susiję su stabilumo inžinerija ir šių medžiagų integracija į prototipinius elektrolizatorius.“
Toliau vystantis sričiai, MXenai galėtų tapti kertiniu atsinaujinančių technologijų elementu katalizės ir cheminių gaminių gamyboje — sujungiant fundamentalią medžiagų mokslą su skubiais klimato ir žemės ūkio poreikiais.
Tyrimų komandos toliau tobulina modelius, plečia eksperimentinę charakterizaciją ir išbando MXenus praktinėse veikimo sąlygose. Dėl tarpdisciplininio pastangų šios dvimatės medžiagos gali padėti pertvarkyti, kaip gaminame gyvybiškai svarbias chemines medžiagas ir naudojame atsinaujinančią elektros energiją mažo anglies dioksido kiekio ekonomikai kurti.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą