28. Dez. 2023 (Nanowerk-Scheinwerfer) Kostengünstige und auf der Erde reichlich vorhandene Alternativen zu teuren Edelmetallkatalysatoren bleiben eine große Herausforderung für die chemische Industrie. Katalysatoren spielen in den meisten industriellen chemischen Prozessen eine unverzichtbare Rolle, indem sie Reaktionsgeschwindigkeiten beschleunigen und wichtige Umwandlungen unter realisierbaren Bedingungen ermöglichen.
Allerdings behindern die Goldstandard-Katalysatoren – Platin und andere seltene Metalle der Platingruppe – aufgrund von Lieferengpässen und exorbitanten Kosten weiterhin eine weit verbreitete Einführung und Ausweitung in Schlüsselsektoren wie Kraftstoffen, Massenchemikalien und Pharmazeutika. Dieser anhaltende Bedarf hat kürzlich großes Interesse an einer vielversprechenden neuen Materialklasse namens „ MXene.
In diesem Artikel werden die Erkenntnisse und Erkenntnisse aus einem Perspektivpapier untersucht (Fortgeschrittene Werkstoffe, „MAX, MXene oder MX: Was sind sie und welches ist besser?“) von Forschern der National University of Singapore und konzentrierte sich auf die Fortschritte bei MXenen und ihre möglichen Auswirkungen auf die Katalyse- und Energiesektoren.
A) Schematische Darstellung der Struktur von MAX zu MXene und dann zu MX; B) Schematische Darstellung aktueller Forschungstendenzen bei MXenen aufgrund verschiedener Zusammensetzungs- und Strukturfaktoren, die die intrinsischen Eigenschaften von MXenen bestimmen; C) Lokale Atomkoordination um Oberflächen-Ti und schematische Darstellung der Orbitale für Ti-C3 in nacktem Ti3C2 und Ti-C3O3 Oktaeder in Ti3C2O2. Die schwarze gestrichelte Linie bei 0 eV stellt EF dar; D) Schematische Darstellung des Vergleichs des oberflächenaktiven Zentrums in terminiertem MXene und nacktem MX. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) (zum Vergrößern auf das Bild klicken)
Die Reise der MXene begann mit der Erforschung ihres Potenzials als Katalysatoren, einer entscheidenden Komponente in zahlreichen industriellen Prozessen. Der globale Chemiemarkt, der im Jahr 5 einen Wert von über 2023 Billionen US-Dollar hat, ist stark auf katalytische Prozesse angewiesen, wobei schätzungsweise 85 % der chemischen Produkte Katalyse beinhalten.
MXene erwiesen sich jedoch als vielversprechende Alternative, da sie ähnliche katalytische Eigenschaften wie Edelmetalle bieten. Diese Materialklasse, die durch das Ätzen von Aluminiumschichten aus MAX-Phasen entsteht (wobei „M“ für ein Übergangsmetall, „A“ für ein Element wie Aluminium und „X“ für Kohlenstoff und/oder Stickstoff steht), bietet eine faszinierende Wirkung und abstimmbare elektronische Struktur, reichhaltige oberflächenaktive Stellen und hohe thermische Haltbarkeit. Diese Eigenschaften machen MXene besonders attraktiv für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter Energiespeicherung und -umwandlung, Sensoren und vor allem Katalyse.
Allerdings hat eine Achillesferse die Katalyseanwendungen von MXenes behindert: Oberflächenabschlüsse. MXene bilden sich spontan, wenn geschichtete MAX-Phasenvorläufer in wässrigen Fluoridlösungen geätzt werden. Der Ätzprozess hinterlässt restliche funktionelle Gruppen wie –OH, –F und –O, die auf den Oberflächen von MXenes terminiert sind. Forscher haben gezeigt, dass diese Abschlüsse die katalytischen Aktivitäten von MXenen erheblich beeinträchtigen, indem sie aktive Zentren blockieren, elektronische Bandstrukturen verändern und Reaktionsbarrieren erhöhen.
Der Sprung nach vorne: Von MAX zu MXene zu MX
Die Entwicklung von MAX-Phasen zu MXenen und weiter zu terminierungsfreien MXenen (bezeichnet als MX) ist ein zentraler Schwerpunkt der aktuellen Forschung. Das Entfernen von Oberflächenabschlüssen, um „nacktes“ oder abschlussfreies MXene (MX) zu erzeugen, verbessert die vorhergesagte katalytische Leistung drastisch. Nackte MX-Oberflächen wimmeln von vollständig freiliegenden, ungesättigten aktiven Metallstellen, die bereit sind, mit Adsorbaten zu interagieren. MX weist außerdem metallische Leitfähigkeit und thermische Stabilität bis 500 °C auf, ideale Eigenschaften für die Hochtemperatur-Gasphasenkatalyse. Ab-initio-Simulationen zeigen, dass MX Zwischenprodukte und Übergangszustände in Reaktionen, einschließlich CO, stark chemisorbiert2 Hydrierung, Wasser-Gas-Konvertierung und Ammoniaksynthese. Eine Studie von Anfang 2021 bestätigte experimentell, dass nacktes Mo vorhanden ist2C MXenes überlegenes CO2 Hydrierungskinetik über terminierungsbedecktem Mo2CTx MXene. Dennoch haben der Mangel an skalierbaren Syntheseprotokollen und Bedenken hinsichtlich der wässrigen Stabilität von MX die weitere Katalyseforschung behindert. Das Perspektivenpapier vertritt die Auffassung, dass diese Hindernisse überwindbar sind. Die Oberflächenenden von MXenen desorbieren oberhalb von 400 °C, was darauf hindeutet, dass eine Hochtemperatur-MX-Bildung möglich ist. MX sollte auch für Gasphasenreaktionen wie CO stabil bleiben2 Hydrierung. Die Autoren argumentieren, dass die Aussichten von MX in der heterogenen Katalyse rosig sind, insbesondere da die Forschung von Synthesen im Labormaßstab zu einer industrietauglichen Produktion übergeht. Einzigartige Vorteile prädestinieren MX für andere Anwendungen über die Katalyse hinaus. In Batterien interagiert reines MXen im Vergleich zu funktionalisiertem MXen stark mit Polysulfiden, was eine verbesserte Lithium-Schwefel-Leistung verspricht. Lewis-saure Metallzentren können es MX auch ermöglichen, Distickstoff elektrochemisch zu Ammoniak zu reduzieren, anders als die bisher untersuchten oberflächenblockierten MXen-Elektrokatalysatoren. Eine weitere Anpassung durch Zusammensetzungsmodifikationen wie Hochentropie und Einzelatomlegierung könnte zu besseren katalytischen Eigenschaften führen. Die synergistischen Effekte mehrerer Metalle und die Gitterspannung in MX mit hoher Entropie können Reaktionsbarrieren und Bindungsenergien senken. Die Verankerung einzelner Platin-, Ruthenium- oder Iridiumatome auf MXenen könnte ebenfalls zu einer sehr gleichmäßigen, maximierten Verteilung der aktiven Edelmetallzentren führen. Um diese Konzepte zu verwirklichen, müssen zunächst die lästigen Hindernisse bei der MX-Synthese gelöst werden. Durch die Zusammenstellung neuer theoretischer und experimenteller Erkenntnisse liefert der Aufsatz ein überzeugendes Argument für das ungenutzte Potenzial bloßer MXene in der thermischen Katalyse der nächsten Generation. Wenn wichtige Engpässe bei der Skalierung der Produktion, der Oberflächenstabilisierung und der Leistung in der Praxis behoben werden können, könnten MXenes endlich ihr Versprechen als allgemein verfügbare, leistungsstarke Katalysatoralternativen erfüllen. Auch wenn der vor uns liegende Weg weiterhin herausfordernd bleibt, wecken die schnellen Fortschritte in der MXene-Forschung im letzten Jahrzehnt den Optimismus, dass diese ultradünnen Materialien transformative Durchbrüche in der gesamten chemischen Industrie katalysieren könnten.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
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