28 ديسمبر 2023 (أضواء Nanowerk) لا تزال البدائل غير المكلفة والوفيرة للأرض لمحفزات المعادن النبيلة الباهظة الثمن تمثل تحديًا كبيرًا في طليعة الصناعة الكيميائية. تلعب المحفزات دورًا لا غنى عنه في الغالبية العظمى من العمليات الكيميائية الصناعية من خلال تسريع معدلات التفاعل وتمكين التحولات المهمة في ظل ظروف ممكنة.
ومع ذلك، فإن المحفزات المعيارية للذهب - البلاتين ومعادن مجموعة البلاتين النادرة الأخرى - تستمر في تقييد التبني والتوسع على نطاق واسع في القطاعات الرئيسية مثل الوقود والمواد الكيميائية السائبة والأدوية بسبب قيود العرض والتكلفة الباهظة. وقد غذت هذه الحاجة المستمرة مؤخرًا اهتمامًا كبيرًا بفئة جديدة واعدة من المواد تسمى مكينز.
تستكشف هذه المقالة الأفكار والنتائج من ورقة منظورية (المواد المتقدمة, "MAX أو MXene أو MX: ما هي وأيهما أفضل؟") من قبل باحثين في جامعة سنغافورة الوطنية، مع التركيز على التطورات في MXenes وتأثيرها المحتمل على قطاعي الحفز والطاقة.
أ) رسم تخطيطي للهيكل من MAX إلى MXene، ثم MX؛ ب) توضيح تخطيطي لاتجاهات البحث الحالية في MXenes من العوامل التركيبية والهيكلية المختلفة التي تحدد الخصائص الجوهرية لـ MXenes؛ ج) التنسيق الذري المحلي حول سطح Ti والتخطيطي للمدارات الخاصة بـ Ti−C3 في تي العارية3C2 وTi−C3O3 المجسم الثماني في Ti3C2O2. يمثل الخط الأسود المتقطع عند 0 فولت EF؛ د) رسم تخطيطي للمقارنة بين الموقع النشط السطحي في MXene المنتهي وMX العاري. (أعيد طبعها بإذن من Wiley-VCH Verlag) (انقر على الصورة للتكبير)
بدأت رحلة MXenes باستكشاف إمكاناتها كمحفزات، وهو عنصر حاسم في العديد من العمليات الصناعية. ويعتمد سوق المواد الكيميائية العالمية، الذي تقدر قيمته بأكثر من 5 تريليون دولار أمريكي في عام 2023، بشكل كبير على العمليات الحفزية، حيث يتضمن ما يقدر بنحو 85٪ من المنتجات الكيميائية الحفز.
ومع ذلك، ظهرت MXenes كبديل واعد، حيث تقدم خصائص تحفيزية مماثلة للمعادن النبيلة. هذه الفئة من المواد، المستمدة من نقش طبقات الألومنيوم من مراحل MAX (حيث يشير الحرف 'M' إلى معدن انتقالي، و'A' إلى عنصر مثل الألومنيوم، و'X' إلى الكربون و/أو النيتروجين)، تقدم تجربة مثيرة للاهتمام وهيكل إلكتروني قابل للضبط، ومواقع غنية بالنشاط السطحي، ومتانة حرارية عالية. هذه الخصائص تجعل MXenes جذابًا بشكل خاص لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك تخزين الطاقة وتحويلها، وأجهزة الاستشعار، وعلى الأخص، الحفز الكيميائي.
ومع ذلك، فقد أعاق كعب أخيل تطبيقات الحفز لدى MXenes: النهايات السطحية. تتشكل MXenes تلقائيًا عند حفر سلائف الطور MAX ذات الطبقات في محاليل الفلورايد المائية. تترك عملية النقش المجموعات الوظيفية المتبقية مثل –OH و –F و –O منتهية على أسطح MXenes. لقد أثبت الباحثون أن هذه الإنهاءات تقلل بشكل كبير من أنشطة MXenes التحفيزية عن طريق حجب المواقع النشطة، وتغيير هياكل النطاق الإلكتروني ورفع حواجز التفاعل.
أ) رسم تخطيطي للهيكل من MAX إلى MXene، ثم MX؛ ب) توضيح تخطيطي لاتجاهات البحث الحالية في MXenes من العوامل التركيبية والهيكلية المختلفة التي تحدد الخصائص الجوهرية لـ MXenes؛ ج) التنسيق الذري المحلي حول سطح Ti والتخطيطي للمدارات الخاصة بـ Ti−C3 في تي العارية3C2 وTi−C3O3 المجسم الثماني في Ti3C2O2. يمثل الخط الأسود المتقطع عند 0 فولت EF؛ د) رسم تخطيطي للمقارنة بين الموقع النشط السطحي في MXene المنتهي وMX العاري. (أعيد طبعها بإذن من Wiley-VCH Verlag) (انقر على الصورة للتكبير)
بدأت رحلة MXenes باستكشاف إمكاناتها كمحفزات، وهو عنصر حاسم في العديد من العمليات الصناعية. ويعتمد سوق المواد الكيميائية العالمية، الذي تقدر قيمته بأكثر من 5 تريليون دولار أمريكي في عام 2023، بشكل كبير على العمليات الحفزية، حيث يتضمن ما يقدر بنحو 85٪ من المنتجات الكيميائية الحفز.
ومع ذلك، ظهرت MXenes كبديل واعد، حيث تقدم خصائص تحفيزية مماثلة للمعادن النبيلة. هذه الفئة من المواد، المستمدة من نقش طبقات الألومنيوم من مراحل MAX (حيث يشير الحرف 'M' إلى معدن انتقالي، و'A' إلى عنصر مثل الألومنيوم، و'X' إلى الكربون و/أو النيتروجين)، تقدم تجربة مثيرة للاهتمام وهيكل إلكتروني قابل للضبط، ومواقع غنية بالنشاط السطحي، ومتانة حرارية عالية. هذه الخصائص تجعل MXenes جذابًا بشكل خاص لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك تخزين الطاقة وتحويلها، وأجهزة الاستشعار، وعلى الأخص، الحفز الكيميائي.
ومع ذلك، فقد أعاق كعب أخيل تطبيقات الحفز لدى MXenes: النهايات السطحية. تتشكل MXenes تلقائيًا عند حفر سلائف الطور MAX ذات الطبقات في محاليل الفلورايد المائية. تترك عملية النقش المجموعات الوظيفية المتبقية مثل –OH و –F و –O منتهية على أسطح MXenes. لقد أثبت الباحثون أن هذه الإنهاءات تقلل بشكل كبير من أنشطة MXenes التحفيزية عن طريق حجب المواقع النشطة، وتغيير هياكل النطاق الإلكتروني ورفع حواجز التفاعل.
القفزة إلى الأمام: من MAX إلى MXene إلى MX
يعد التطور من مراحل MAX إلى MXenes، ثم إلى MXenes الخالية من الإنهاء (يشار إليها باسم MX)، محورًا رئيسيًا للبحث الحالي. تعمل إزالة النهايات السطحية لإنشاء MXene (MX) "العاري" أو الخالي من الإنهاء على تحسين الأداء الحفاز المتوقع بشكل كبير. تمتلئ أسطح MX العارية بمواقع معدنية نشطة مكشوفة بالكامل وغير مشبعة وجاهزة للتفاعل مع المواد الممتزة. يُظهر MX أيضًا الموصلية المعدنية والثبات الحراري حتى 500 درجة مئوية، وهي خصائص مثالية لتحفيز الطور الغازي عالي الحرارة. تُظهر عمليات محاكاة المبادئ الأولى أن MX يمتص بقوة المواد الوسيطة والحالات الانتقالية في التفاعلات بما في ذلك ثاني أكسيد الكربون2 الهدرجة، تحول الماء والغاز وتخليق الأمونيا. أكدت دراسة أجريت في أوائل عام 2021 تجريبيًا وجود Mo2ثاني أكسيد الكربون المتفوق لـ C MXene2 حركية الهدرجة على Mo2CTx MXene المغطى بالإنهاء. ومع ذلك، فإن الافتقار إلى بروتوكولات التوليف القابلة للتطوير والمخاوف بشأن الاستقرار المائي لـ MX قد أعاقت إجراء المزيد من أبحاث الحفز. توضح ورقة المنظور أن هذه الحواجز يمكن التغلب عليها. يتم امتصاص نهايات سطح MXenes عند درجة حرارة أعلى من 400 درجة مئوية، مما يشير إلى إمكانية تكوين MX عند درجة حرارة عالية. يجب أيضًا أن يظل MX مستقرًا في تفاعلات الطور الغازي مثل ثاني أكسيد الكربون2 الهدرجة. يرى المؤلفون أن آفاق MX في مجال الحفز غير المتجانس مشرقة، خاصة مع تحول الأبحاث من التوليفات على نطاق المختبر إلى الإنتاج القابل للصناعة. مزايا فريدة من نوعها Prime MX للتطبيقات الأخرى التي تتجاوز الحفز الكيميائي. في البطاريات، يتفاعل MXene العاري بقوة مع polysulfides مقارنةً بـ MXene الوظيفي، مما يعد بتحسين أداء كبريت الليثيوم. قد تسمح مواقع لويس المعدنية الحمضية أيضًا لـ MX بتقليل الدينتروجين كهروكيميائيًا إلى الأمونيا الأفضل من المحفزات الكهربائية MXene المحظورة على السطح والتي تم تقييمها حتى الآن. مزيد من الخياطة من خلال التعديلات التركيبية مثل الانتروبيا العالية وسبائك الذرة الواحدة يمكن أن تؤدي إلى خصائص تحفيزية متفوقة. قد تؤدي التأثيرات التآزرية للمعادن المتعددة وسلالة الشبكة في MX عالي الإنتروبيا إلى تقليل حواجز التفاعل وطاقات الربط. إن تثبيت ذرات البلاتين أو الروثينيوم أو الإيريديوم الفردية على MXenes يمكن أن يؤدي أيضًا إلى توزيعات موحدة للغاية ومعظمة للمواقع النشطة للمعادن الثمينة. سيتطلب تحقيق هذه المفاهيم حل عقبات تركيب MX المزعجة أولاً. من خلال جمع الأدلة النظرية والتجريبية الناشئة، تبني المراجعة حجة مقنعة لإمكانات MXenes العارية غير المستغلة في الجيل التالي من التحفيز الحراري. إذا أمكن معالجة الاختناقات الرئيسية حول توسيع نطاق الإنتاج وتثبيت السطح والأداء في العالم الحقيقي، فقد تفي MXenes أخيرًا بوعدها كبدائل محفزة عالية الأداء ومتاحة على نطاق واسع. على الرغم من أن الطريق أمامنا لا يزال صعبًا، إلا أن التقدم السريع في أبحاث مادة MXene على مدار العقد الماضي يبعث على التفاؤل بأن هذه المواد الرقيقة للغاية يمكن أن تحفز الاختراقات التحويلية عبر الصناعة الكيميائية.
By
مايكل
بيرجر
- مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء:
جمعية النانو: دفع حدود التكنولوجيا,
تقنية النانو: المستقبل صغيرو
هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية
حقوق الطبع والنشر ©
نانويرك ذ
كن مؤلفًا ضيفًا في Spotlight! انضم إلى مجموعتنا الكبيرة والمتنامية من المساهمين الضيوف. هل نشرت للتو ورقة علمية أو لديك تطورات أخرى مثيرة لمشاركتها مع مجتمع تكنولوجيا النانو؟ إليك كيفية النشر على nanowerk.com.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64325.php
