Современные исследования направлены на повышение эффективности возобновляемых технологий путём изучения ультратонких двухмерных (2D) материалов. Эти инновационные соединения способны проложить путь к более чистому и устойчивому производству важнейших химических веществ, таких как аммиак – ключевой компонент удобрений.
Особое внимание среди подобных материалов привлекает семейство MXenes – низкоразмерные соединения, обладающие уникальной способностью преобразовывать атмосферные компоненты в аммиак. Этот аммиак может быть использован как в сельскохозяйственных удобрениях, так и в качестве топлива. Исключительная химическая структура MXenes позволяет учёным точно настраивать их состав, обеспечивая беспрецедентный контроль над их свойствами и функциональностью.
Детальное описание этих исследований было представлено в престижном издании Journal of the American Chemical Society. Над проектом работали профессора химической инженерии Абдулай Джире и Перла Бальбуэна, а также аспирант Рэй Ю из Техасского университета A&M.
Профессор Джире и его команда ставят под сомнение укоренившиеся представления о функционировании катализаторов на основе переходных металлов. Традиционно считалось, что эффективность катализатора определяется исключительно типом содержащегося в нём металла. Сегодняшние исследования направлены на расширение этого понимания, углубляясь в механизмы взаимодействия на атомном уровне.
Команда стремится расширить знания о том, как материалы действуют в качестве катализаторов в электрокаталитических условиях. В конечном итоге, это откроет возможности для производства химических веществ и топлива из доступных природных ресурсов, отметил профессор Джире.
Структуру MXenes можно тонко регулировать, изменяя особенности взаимодействия атомов азота в их кристаллической решётке. Такое изменение, известное как реакционная способность решёточного азота, напрямую влияет на вибрационные свойства молекул – ключевой фактор, определяющий эффективность материала в катализе химических реакций.
Возможность точной настройки делает MXenes идеальными кандидатами для множества применений в области возобновляемой энергетики. Они представляют собой многообещающую альтернативу дорогостоящим электрокаталитическим материалам, поясняет аспирант Ю.
MXenes обладают рядом привлекательных качеств, что делает их идеальными кандидатами среди альтернативных материалов на основе переходных металлов. В частности, нитридные MXenes демонстрируют значительно улучшенные характеристики в электрокатализе по сравнению со своим более изученным карбидным аналогом, о чём свидетельствуют результаты исследования.
Для углублённого понимания процессов, происходящих на молекулярном уровне, аспирант Хао-Эн Лай из группы профессора Бальбуэны провёл комплексные вычислительные исследования. Моделирование позволило выяснить, как энергетически значимые растворители взаимодействуют с поверхностью MXenes, что помогло исследователям количественно оценить молекулярные взаимодействия, критически важные для синтеза аммиака.
Профессор Джире, аспирант Ю и их коллеги также исследовали вибрационное поведение нитрида титана с помощью рамановской спектроскопии. Этот неразрушающий метод предоставил детализированную информацию о структуре и химических связях материала.
Одним из наиболее значимых аспектов их работы стала демонстрация способности рамановской спектроскопии выявлять реакционную способность решёточного азота. Это открытие кардинально меняет представление об электрокаталитических системах с участием MXenes, подчеркнул Рэй Ю.
Продолжение исследований нитридных MXenes и их взаимодействия с полярными растворителями с помощью рамановской спектроскопии сулит серьёзные прорывы в области зелёной химии, полагает Ю.
Исследователи продемонстрировали, что электрохимический синтез аммиака становится возможным благодаря протонированию и восполнению решёточного азота. Конечная цель этого проекта – достичь атомного уровня понимания роли каждого атома в структуре материала, что позволит полностью контролировать процессы преобразования энергии, заявил профессор Джире.
Данное исследование было поддержано Управлением энергетических наук Армейского исследовательского офиса США (U.S. Army DEVCOM ARL Army Research Office Energy Sciences Competency, Electrochemistry Program). Стоит отметить, что представленные мнения и выводы являются точкой зрения авторов и не обязательно отражают официальную политику Армии США или правительства США.
