В поисках более устойчивых технологий исследователи всё чаще обращаются к двумерным материалам в области возобновляемой энергии, которые могут привести к устойчивому производству таких химических веществ, как аммиак, используемый в удобрениях.
Новое поколение материалов
Материалы нового поколения, называемые MXenes, катализируют превращение воздуха в аммиак для использования в сельском хозяйстве и транспорте в качестве высокоэффективных энергетических удобрений.
MXenes обладают широким спектром возможностей, которые позволяют создавать гибкие химические составы, обеспечивая значительный контроль над их свойствами.
Это исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society в статье профессоров химического машиностроения докторов Абдулая Дижа, Перлы Бальбуэна и кандидата наук Рэя Ю.
Вызов традиционным представлениям
Диж и его команда ставят под сомнение традиционное представление о том, что производительность материалов на основе переходных металлов можно объяснить исключительно типом используемого металла.
«Мы стремимся расширить наше понимание того, как материалы функционируют в качестве катализаторов в условиях электрокатализа», — говорит Диж. «В конечном счёте эти знания могут помочь нам определить ключевые компоненты, необходимые для производства химических веществ и топлива из распространённых на Земле ресурсов».
Настройка свойств MXenes
В зависимости от структуры MXene использование реактивности решёточного азота может настраивать колебательные свойства MXenes путём перехода от углерода к атому азота. Колебательные свойства относятся к способу вибрации молекул из-за содержащейся в них энергии.
Настраиваемость свойств MXenes позволяет адаптировать их для конкретных применений в возобновляемой энергетике, что делает их перспективными альтернативными кандидатами для экономически неэффективных материалов-электрокатализаторов, — говорит Ю.
«MXenes — идеальные кандидаты в качестве альтернативных материалов на основе переходных металлов. Они обладают многообещающим потенциалом благодаря своим многочисленным желаемым качествам», — говорит Ю. «Нитридные MXenes играют важную роль в электрокатализе, что подтверждается улучшением их производительности по сравнению с широко изученными карбидными аналогами».
Вычислительный анализ
Работа была дополнена первопринципными вычислительными анализами, выполненными аспирантом Хао-Эном Лаем в группе доктора Бальбуэна. Группа оценила изменения в поверхностных колебательных режимах, вызванные энергетически значимыми растворителями, контактирующими с MXenes. С помощью этих дополнительных данных авторы количественно оценили взаимодействие молекул, особенно в контексте синтеза аммиака.
В ходе этого исследования Диж, Ю и их команда исследовали колебательные свойства нитрида титана с помощью рамановской спектроскопии — неразрушающего метода химического анализа, который предоставляет подробную информацию о химической структуре.
«Я считаю, что одной из наиболее важных частей этого исследования является способность рамановской спектроскопии выявлять реактивность решёточного азота», — говорит Ю. «Это меняет представление об электрокаталитической системе с участием MXenes».
Исследования, включающие рамановскую спектроскопическую характеристику нитридных MXenes и полярных растворителей, могут привести к серьёзным прорывам, — говорит Ю.
«Мы демонстрируем, что электрохимический синтез аммиака может быть достигнут за счёт протонирования и восполнения решёточного азота», — говорит Диж. «Конечная цель этого проекта — получить атомистическое понимание роли атомов, составляющих структуру материала».
Предоставлено Инженерным колледжем Техасского университета A&M.