28 Aralık 2023 (Nanowerk Gündemi) Pahalı asil metal katalizörlere ucuz ve Dünya'da bol miktarda bulunan alternatifler, kimya endüstrisinin ön saflarında büyük bir zorluk olmaya devam ediyor. Katalizörler, reaksiyon hızlarını hızlandırarak ve uygun koşullar altında önemli dönüşümlere olanak sağlayarak endüstriyel kimyasal proseslerin büyük çoğunluğunda vazgeçilmez bir rol oynarlar.
Bununla birlikte, altın standart katalizörler (platin ve diğer nadir platin grubu metaller), tedarik sınırlamaları ve fahiş maliyetler nedeniyle yakıtlar, toplu kimyasallar ve ilaç gibi kilit sektörlerde yaygın olarak benimsenmeyi ve ölçek büyütmeyi kısıtlamaya devam ediyor. Bu süregelen ihtiyaç, yakın zamanda gelecek vaat eden yeni bir malzeme sınıfına olan ilgiyi artırdı. MXen'ler.
Bu makale, bir perspektif makalesinden elde edilen içgörüleri ve bulguları incelemektedir (Gelişmiş malzemeler, “MAX, MXene veya MX: Bunlar Nelerdir ve Hangisi Daha İyi?”) Singapur Ulusal Üniversitesi'ndeki araştırmacılar tarafından MXene'lerdeki gelişmelere ve bunların kataliz ve enerji sektörleri üzerindeki potansiyel etkilerine odaklanılıyor.
A) MAX'tan MXene'ye ve ardından MX'e kadar yapının şematik gösterimi; B) MXen'lerin kendine özgü özelliklerini belirleyen farklı bileşimsel ve yapısal faktörlerden MXen'lerdeki mevcut araştırma eğilimlerinin şematik gösterimi; C) Ti yüzeyi etrafındaki yerel atomik koordinasyon ve Ti−C için yörüngelerin şeması3 çıplak Ti'de3C2 ve Ti−C3O3 Ti'deki oktahedra3C2O2. 0 eV'deki siyah kesikli çizgi EF'yi temsil eder; D) Sonlandırılmış MXene ve çıplak MX'teki yüzey aktif bölgenin karşılaştırmasının şematik gösterimi. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) (büyütmek için resme tıklayın)
MXene'lerin yolculuğu, çok sayıda endüstriyel süreçte kritik bir bileşen olan katalizör olma potansiyellerinin araştırılmasıyla başladı. 5'te değeri 2023 trilyon ABD dolarının üzerinde olan küresel kimyasallar pazarı, büyük ölçüde katalitik işlemlere dayanıyor ve kimyasal ürünlerin tahminen %85'i kataliz içeriyor.
Ancak MXene'ler, soy metallere benzer katalitik özellikler sunan umut verici bir alternatif olarak ortaya çıktı. MAX fazlarından alüminyum katmanların aşındırılmasından türetilen bu malzeme sınıfı ('M' bir geçiş metalini, 'A' alüminyum gibi bir elementi ve 'X' karbon ve/veya nitrojeni temsil eder) ilgi çekici bir yapı sunar. ve ayarlanabilir elektronik yapı, zengin yüzey aktif alanlar ve yüksek termal dayanıklılık. Bu özellikler, MXene'leri enerji depolama ve dönüştürme, sensörler ve en önemlisi kataliz dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için özellikle çekici kılmaktadır.
Ancak Aşil topuğu, MXenes'in kataliz uygulamalarını, yani yüzey sonlandırmalarını engelledi. MXenler, katmanlı MAX fazı öncüllerinin sulu florür çözeltilerinde aşındırılması sırasında kendiliğinden oluşur. Aşındırma işlemi, MXenes'in yüzeylerinde sonlandırılan –OH, –F ve –O gibi artık fonksiyonel grupları bırakır. Araştırmacılar, bu sonlandırmaların, aktif bölgeleri bloke ederek, elektronik bant yapılarını değiştirerek ve reaksiyon bariyerlerini yükselterek MXene'lerin katalitik aktivitelerini önemli ölçüde azalttığını gösterdi.
A) MAX'tan MXene'ye ve ardından MX'e kadar yapının şematik gösterimi; B) MXen'lerin kendine özgü özelliklerini belirleyen farklı bileşimsel ve yapısal faktörlerden MXen'lerdeki mevcut araştırma eğilimlerinin şematik gösterimi; C) Ti yüzeyi etrafındaki yerel atomik koordinasyon ve Ti−C için yörüngelerin şeması3 çıplak Ti'de3C2 ve Ti−C3O3 Ti'deki oktahedra3C2O2. 0 eV'deki siyah kesikli çizgi EF'yi temsil eder; D) Sonlandırılmış MXene ve çıplak MX'teki yüzey aktif bölgenin karşılaştırmasının şematik gösterimi. (Wiley-VCH Verlag'ın izniyle yeniden basılmıştır) (büyütmek için resme tıklayın)
MXene'lerin yolculuğu, çok sayıda endüstriyel süreçte kritik bir bileşen olan katalizör olma potansiyellerinin araştırılmasıyla başladı. 5'te değeri 2023 trilyon ABD dolarının üzerinde olan küresel kimyasallar pazarı, büyük ölçüde katalitik işlemlere dayanıyor ve kimyasal ürünlerin tahminen %85'i kataliz içeriyor.
Ancak MXene'ler, soy metallere benzer katalitik özellikler sunan umut verici bir alternatif olarak ortaya çıktı. MAX fazlarından alüminyum katmanların aşındırılmasından türetilen bu malzeme sınıfı ('M' bir geçiş metalini, 'A' alüminyum gibi bir elementi ve 'X' karbon ve/veya nitrojeni temsil eder) ilgi çekici bir yapı sunar. ve ayarlanabilir elektronik yapı, zengin yüzey aktif alanlar ve yüksek termal dayanıklılık. Bu özellikler, MXene'leri enerji depolama ve dönüştürme, sensörler ve en önemlisi kataliz dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için özellikle çekici kılmaktadır.
Ancak Aşil topuğu, MXenes'in kataliz uygulamalarını, yani yüzey sonlandırmalarını engelledi. MXenler, katmanlı MAX fazı öncüllerinin sulu florür çözeltilerinde aşındırılması sırasında kendiliğinden oluşur. Aşındırma işlemi, MXenes'in yüzeylerinde sonlandırılan –OH, –F ve –O gibi artık fonksiyonel grupları bırakır. Araştırmacılar, bu sonlandırmaların, aktif bölgeleri bloke ederek, elektronik bant yapılarını değiştirerek ve reaksiyon bariyerlerini yükselterek MXene'lerin katalitik aktivitelerini önemli ölçüde azalttığını gösterdi.
İleriye Atılım: MAX'tan MXene'ye ve MX'e
MAX aşamalarından MXene'lere ve ayrıca sonlandırma gerektirmeyen MXene'lere (MX olarak anılır) evrim, mevcut araştırmaların temel odak noktasıdır. "Çıplak" veya sonlandırma gerektirmeyen MXene (MX) oluşturmak için yüzey sonlandırmalarının kaldırılması, tahmin edilen katalitik performansı büyük ölçüde artırır. Çıplak MX yüzeyleri, adsorbatlarla etkileşime girmeye hazır, tamamen açıkta kalan, doymamış aktif metal alanlarıyla doludur. MX ayrıca yüksek sıcaklıkta gaz fazı katalizi için ideal özellikler olan 500 °C'ye kadar metalik iletkenlik ve termal stabilite sergiler. İlk prensip simülasyonları, MX'in, CO dahil olmak üzere reaksiyonlardaki ara maddeleri ve geçiş durumlarını güçlü bir şekilde kimyasal olarak absorbe ettiğini göstermektedir.2 hidrojenasyon, su-gaz değişimi ve amonyak sentezi. 2021'in başlarında yapılan bir çalışma deneysel olarak çıplak Mo'yu doğruladı2C MXene'nin üstün CO'su2 sonlandırma kaplı Mo2CTx MXene üzerinde hidrojenasyon kinetiği. Bununla birlikte, ölçeklenebilir sentez protokollerinin eksikliği ve MX'in sulu stabilitesine ilişkin endişeler, daha fazla kataliz araştırmasını engellemiştir. Perspektif makalesi bu engellerin aşılabilir olduğunu ortaya koyuyor. MXenes'in yüzey sonlandırmaları 400 °C'nin üzerinde desorbe oluyor, bu da yüksek sıcaklıkta MX oluşumunun mümkün olduğunu gösteriyor. MX ayrıca CO gibi gaz fazı reaksiyonları için de stabil kalmalıdır2 hidrojenasyon. Yazarlar, özellikle araştırma laboratuvar ölçekli sentezlerden endüstriye uygun üretime geçiş yaparken, MX'in heterojen kataliz konusundaki umutlarının parlak olduğunu savunuyorlar. Benzersiz avantajlar, MX'i katalizin ötesinde diğer uygulamalara da hazırlar. Pillerde, çıplak MXene, işlevselleştirilmiş MXene ile karşılaştırıldığında polisülfürlerle güçlü bir şekilde etkileşime girerek, iyileştirilmiş lityum-kükürt performansı vaat ediyor. Lewis asidik metal bölgeleri ayrıca MX'in şimdiye kadar değerlendirilen yüzey bloke edilmiş MXene elektrokatalizörlerine göre dinitrojeni elektrokimyasal olarak amonyak mieux mieux'a indirgemesine de izin verebilir. Yüksek entropi ve tek atomlu alaşımlama gibi bileşimsel modifikasyonlar yoluyla daha fazla uyarlama, üstün katalitik özellikler ortaya çıkarabilir. Yüksek entropili MX'teki çoklu metallerin sinerjistik etkileri ve kafes gerilimi, reaksiyon bariyerlerini ve bağlanma enerjilerini azaltabilir. Bireysel platin, rutenyum veya iridyum atomlarının MXene'lere sabitlenmesi aynı şekilde değerli metal aktif bölgelerinin son derece düzgün, maksimuma çıkarılmış dağılımlarını da sağlayabilir. Bu kavramların gerçekleştirilmesi, öncelikle MX sentezindeki rahatsız edici engellerin çözülmesini gerektirecektir. İnceleme, ortaya çıkan teorik ve deneysel kanıtları derleyerek, MXene'lerin yeni nesil termal katalizde henüz kullanılmayan potansiyeline dair ikna edici bir örnek oluşturuyor. Üretim ölçeklendirmesi, yüzey stabilizasyonu ve gerçek dünya performansı ile ilgili temel darboğazlar ele alınabilirse, MXenes nihayet yaygın olarak bulunabilen, yüksek performanslı katalizör alternatifleri olarak vaatlerini yerine getirebilir. Önümüzdeki yol zorlu olmaya devam etse de, MXene araştırmalarında son on yılda yaşanan hızlı ilerleme, bu ultra ince malzemelerin kimya endüstrisinde dönüştürücü atılımları katalize edebileceği konusunda iyimserliğe ilham veriyor.
– Michael, Royal Society of Chemistry tarafından yazılan üç kitabın yazarıdır:
Nano-Toplum: Teknolojinin Sınırlarını Zorlamak,
Nanoteknoloji: Gelecek Küçük, ve
Nano-mühendislik: Teknolojiyi Görünmez Yapan Beceri ve Araçlar
Telif Hakkı ©
Nanowerk LLC
Spotlight konuk yazarı olun! Geniş ve büyüyen grubumuza katılın konuk katkıda bulunanlar. Nanoteknoloji topluluğuyla paylaşmak için bilimsel bir makale yayınladınız mı veya başka heyecan verici gelişmeleriniz mi var? Nanowerk.com'da nasıl yayınlayacağınız burada.
- SEO Destekli İçerik ve Halkla İlişkiler Dağıtımı. Bugün Gücünüzü Artırın.
- PlatoData.Network Dikey Üretken Yapay Zeka. Kendine güç ver. Buradan Erişin.
- PlatoAiStream. Web3 Zekası. Bilgi Genişletildi. Buradan Erişin.
- PlatoESG. karbon, temiz teknoloji, Enerji, Çevre, Güneş, Atık Yönetimi. Buradan Erişin.
- PlatoSağlık. Biyoteknoloji ve Klinik Araştırmalar Zekası. Buradan Erişin.
- Kaynak: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64325.php
