28. december 2023 (Nanowerk Spotlight) Inexpensive and Earth-abundant alternatives to expensive noble metal catalysts remain a grand challenge at the forefront of the chemical industry. Catalysts play an indispensable role in the vast majority of industrial chemical processes by accelerating reaction rates and enabling important transformations under feasible conditions.
However, the gold-standard catalysts – platinum and other rare platinum group metals – continue to constrain widespread adoption and scale-up in key sectors like fuels, bulk chemicals and pharmaceuticals due to supply limitations and exorbitant cost. This persisting need has recently fueled significant interest in a promising new class of materials called MXenes. Denne artikel udforsker indsigten og resultaterne fra et perspektivpapir (Advanced Materials, “MAX, MXene, or MX: What Are They and Which One Is Better?”) af forskere ved National University of Singapore, med fokus på fremskridt inden for MXenes og deres potentielle indvirkning på katalyse- og energisektorer.
A) Skematisk illustration af strukturen fra MAX til MXene, og derefter MX; B) Skematisk illustration af aktuelle forskningstendenser i MXener fra forskellige sammensætningsmæssige og strukturelle faktorer, der bestemmer MXeners iboende egenskaber; C) Lokal atomkoordination omkring overflade Ti og skematisk af orbitaler for Ti−C3 i bar Ti3C2 og Ti−C3O3 oktaeder i Ti3C2O2. The black dashed line at 0 eV represents EF; D) Schematic illustration of the comparison of the surface active site in terminated MXene and bare MX. (Reprinted with permission by Wiley-VCH Verlag) (click on image to enlarge)
The journey of MXenes began with the exploration of their potential as catalysts, a critical component in numerous industrial processes. The global chemicals market, valued at over US $5 trillion in 2023, heavily relies on catalytic processes, with an estimated 85% of chemical products involving catalysis.
MXenes, however, emerged as a promising alternative, offering similar catalytic properties to noble metals. This class of materials, derived from the etching of aluminum layers from MAX phases (where ‘M’ stands for a transition metal, ‘A’ for an element like aluminum, and ‘X’ for carbon and/or nitrogen), presents an intriguing and tunable electronic structure, rich surface-active sites, and high thermal durability. These properties make MXenes particularly attractive for a variety of applications, including energy storage and conversion, sensors, and, most notably, catalysis.
However, an Achilles’ heel has hampered MXenes’ catalysis applications: surface terminations. MXenes form spontaneously when etching layered MAX phase precursors in aqueous fluoride solutions. The etching process leaves residual functional groups like –OH, –F and –O terminated on MXenes’ surfaces. Researchers have demonstrated that these terminations significantly degrade MXenes’ catalytic activities by blocking active sites, altering electronic band structures and raising reaction barriers.
Springet fremad: Fra MAX til MXene til MX
Udviklingen fra MAX-faser til MXenes og videre til termineringsfrie MXenes (benævnt MX), er et centralt fokus i den nuværende forskning. Fjernelse af overfladeafslutninger for at skabe "nøgne" eller termineringsfri MXene (MX) forbedrer den forudsagte katalytiske ydeevne drastisk. Bare MX-overflader vrimler med fuldt eksponerede, umættede aktive metalsteder, der er klar til at interagere med adsorbater. MX udviser også metallisk ledningsevne og termisk stabilitet op til 500 °C, ideelle egenskaber til højtemperaturgasfasekatalyse. Simulationer med første princip viser, at MX stærkt kemisorberer mellemprodukter og overgangstilstande i reaktioner, herunder CO2 hydrogenering, vand-gas-skift og ammoniaksyntese. En tidlig undersøgelse fra 2021 bekræftede eksperimentelt bare Mo2C MXene's overlegne CO2 hydrogeneringskinetik over termineringsdækket Mo2CTx MXene. Ikke desto mindre har mangel på skalerbare synteseprotokoller og bekymringer om MX's vandige stabilitet hindret yderligere katalyseforskning. Perspektivpapiret viser, at disse vejspærringer er overkommelige. MXenes' overfladeafslutninger desorberer over 400 °C, hvilket tyder på, at højtemperatur-MX-dannelse er mulig. MX bør også forblive stabil for gasfasereaktioner som CO2 hydrogenering. Forfatterne hævder, at MX's udsigter inden for heterogen katalyse er lyse, især da forskningen går fra synteser i laboratorieskala til industrivenlig produktion. Unikke fordele primer MX til andre applikationer ud over katalyse. I batterier interagerer bare MXene stærkt med polysulfider sammenlignet med funktionaliseret MXene, hvilket lover forbedret lithium-svovl ydeevne. Lewis sure metalsteder kan også tillade MX at elektrokemisk reducere dinitrogen til ammoniak mieux mieux end overfladeblokerede MXene elektrokatalysatorer, der er evalueret hidtil. Yderligere skræddersyning gennem sammensætningsmodifikationer som højentropi og enkeltatomlegering kunne fremkalde overlegne katalytiske egenskaber. Flere metallers synergistiske virkninger og gitterstamme i højentropi MX kan sænke reaktionsbarrierer og bindingsenergier. Forankring af individuelle platin-, ruthenium- eller iridiumatomer på MXener kunne ligeledes give meget ensartede, maksimerede fordelinger af ædelmetalaktive steder. At realisere disse koncepter vil kræve at løse nagende MX-syntese-hindringer først. Ved at samle nye teoretiske og eksperimentelle beviser bygger anmeldelsen en overbevisende argumentation for bare MXenes' uudnyttede potentiale i næste generations termiske katalyse. Hvis vigtige flaskehalse omkring produktionsskalering, overfladestabilisering og ydeevne i den virkelige verden kan løses, kan MXenes endelig opfylde deres løfte som bredt tilgængelige, højtydende katalysatoralternativer. Selvom vejen frem fortsat er udfordrende, inspirerer hurtige fremskridt inden for MXene-forskning i løbet af det sidste årti optimisme om, at disse ultratynde materialer kan katalysere transformative gennembrud på tværs af den kemiske industri.
– Michael er forfatter til tre bøger af Royal Society of Chemistry:
Nanosamfund: At flytte teknologiens grænser,
Nanoteknologi: Fremtiden er lilleog
Nanoengineering: De færdigheder og værktøjer, der gør teknologi usynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bliv en Spotlight-gæsteforfatter! Slut dig til vores store og voksende gruppe af gæstebidragydere. Har du lige udgivet en videnskabelig artikel eller har du andre spændende udviklinger at dele med nanoteknologisamfundet? Sådan udgiver du på nanowerk.com.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
- PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
- PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
- PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
- Kilde: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64325.php
- :har
- :er
- :hvor
- $OP
- 10
- 19
- 2021
- 2023
- 28
- 31
- 32
- 400
- 500
- 7
- 8
- 9
- a
- Om
- over
- accelererende
- tværs
- aktiv
- aktiviteter
- rettet
- Vedtagelse
- fremskridt
- fordele
- forude
- tillade
- også
- alternativ
- alternativer
- Ammoniak
- an
- ,
- applikationer
- ER
- argumentere
- omkring
- artikel
- AS
- At
- atom
- atomare
- attraktivt
- forfatter
- forfattere
- til rådighed
- b
- BAND
- barrierer
- batterier
- BE
- begyndte
- Berger
- Bedre
- Beyond
- binding
- Sort
- blank
- blokering
- Bøger
- flaskehalse
- grænser
- gennembrud
- Bright
- bygger
- by
- kaldet
- CAN
- kulstof
- tilfælde
- Katalysator
- katalysatorer
- katalyserer
- center
- udfordre
- udfordrende
- kemikalie
- Kemiske processer
- kemikalier
- kemi
- klasse
- klik
- samfund
- sammenlignet
- sammenligning
- overbevisende
- komponent
- begreber
- Bekymringer
- betingelser
- ledningsevne
- BEKRÆFTET
- fortsæt
- Konvertering
- koordinering
- Koste
- kunne
- skabe
- kritisk
- Nuværende
- Dato
- årti
- demonstreret
- Afledt
- bestemmelse
- udvikling
- forskellige
- Distributioner
- drastisk
- grund
- holdbarhed
- Tidligt
- effekter
- elektronisk
- element
- opstået
- smergel
- muliggør
- energi
- Forbedrer
- forstørre
- især
- anslået
- EV
- evalueret
- bevismateriale
- evolution
- spændende
- udstillinger
- dyrt
- eksperimenterende
- udforskning
- udforsker
- udsat
- faktorer
- langt
- gennemførlig
- Endelig
- fund
- Fornavn
- Fokus
- fokusering
- Til
- forkant
- formular
- formation
- Videresend
- fra
- næring
- brændstoffer
- Opfylde
- fuldt ud
- funktionel
- yderligere
- fremtiden
- gif
- Global
- grand
- gruppe
- Gruppens
- Dyrkning
- Gæst
- Have
- stærkt
- Høj
- Høj ydeevne
- stærkt
- Hvordan
- How To
- Men
- HTTPS
- ideal
- if
- billede
- KIMOs Succeshistorier
- vigtigt
- forbedret
- in
- Herunder
- individuel
- industrielle
- industrien
- billig
- indsigt
- inspirerer
- interagere
- interagerer
- interesse
- spændende
- iboende
- involverer
- deltage
- rejse
- jpg
- lige
- Nøgle
- Mangel
- stor
- lagdelt
- lag
- Leap
- Lewis
- ligesom
- begrænsninger
- Line (linje)
- lokale
- logo
- lavere
- Flertal
- lave
- maerker
- Making
- Marked
- materialer
- max
- Kan..
- metal
- Metaller
- Michael
- Mellemøsten
- Modifikationer
- mest
- flere
- MX
- navn
- nanoteknologi
- national
- Behov
- Ikke desto mindre
- Ny
- næste generation
- Noble
- især
- talrige
- forhindringer
- of
- tilbyde
- on
- ONE
- Optimisme
- or
- Andet
- vores
- i løbet af
- Papir
- især
- forbi
- sti
- ydeevne
- tilladelse
- perspektiv
- lægemidler
- fase
- PHP
- platin
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatoData
- Leg
- mulig
- potentiale
- Kostbar
- forudsagde
- gaver
- Prime
- behandle
- Processer
- produktion
- Produkter
- Progress
- løfte
- lovende
- egenskaber
- udsigter
- protokoller
- offentliggøre
- offentliggjort
- forlægger
- Pushing
- Quest
- hæve
- hurtige
- SJÆLDEN
- priser
- reaktion
- reaktioner
- klar
- virkelige verden
- realisere
- for nylig
- reducere
- benævnt
- forblive
- resterne
- fjernelse
- repræsenterer
- kræver
- forskning
- forskere
- løse
- gennemgå
- Rich
- vejspærringer
- roller
- Royal
- skalerbar
- opskalere
- skalering
- videnskabelig
- Sektorer
- sensorer
- Del
- skifte
- bør
- Vis
- signifikant
- betydeligt
- lignende
- Singapore
- enkelt
- websted
- Websteder
- færdigheder
- Samfund
- Løsninger
- Spotlight
- Stabilitet
- stabil
- står
- Stater
- opbevaring
- kraftigt
- strukturel
- struktur
- strukturer
- Studere
- overlegen
- forsyne
- overflade
- synergistisk
- syntese
- skræddersy
- Teknologier
- end
- at
- Fremtiden
- deres
- derefter
- teoretisk
- termisk
- Disse
- de
- denne
- selvom?
- tre
- Gennem
- Dermed
- Titel
- til
- værktøjer
- transformationer
- transformative
- overgang
- overgange
- trillion
- under
- enestående
- universitet
- uudnyttet
- opdateringer
- URL
- us
- værdiansættes
- række
- Vast
- Hvad
- hvornår
- som
- bredt
- udbredt
- vilje
- med
- X
- Udbytte
- dig
- Din
- zephyrnet