28 de diciembre de 2023 (Proyector Nanowerk) Las alternativas económicas y abundantes en la Tierra a los costosos catalizadores de metales nobles siguen siendo un gran desafío en la vanguardia de la industria química. Los catalizadores desempeñan un papel indispensable en la gran mayoría de los procesos químicos industriales al acelerar las velocidades de reacción y permitir transformaciones importantes en condiciones factibles.
Sin embargo, los catalizadores estándar (platino y otros metales raros del grupo del platino) continúan limitando su adopción generalizada y su ampliación en sectores clave como combustibles, productos químicos a granel y productos farmacéuticos debido a limitaciones de suministro y costos exorbitantes. Esta necesidad persistente ha despertado recientemente un interés significativo en una nueva y prometedora clase de materiales llamados MXenes.
Este artículo explora las ideas y hallazgos de un artículo en perspectiva (Materiales avanzados, “MAX, MXene o MX: ¿Qué son y cuál es mejor?”) por investigadores de la Universidad Nacional de Singapur, centrándose en los avances en MXenes y su impacto potencial en los sectores de catálisis y energía.
A) Ilustración esquemática de la estructura de MAX a MXene y luego MX; B) Ilustración esquemática de las tendencias actuales de investigación en MXenes a partir de diferentes factores compositivos y estructurales que determinan las propiedades intrínsecas de los MXenes; C) Coordinación atómica local alrededor de la superficie Ti y esquema de los orbitales para Ti-C3 en ti desnudo3C2 y Ti-C3O3 octaedro en Ti3C2O2. La línea discontinua negra a 0 eV representa EF; D) Ilustración esquemática de la comparación del sitio tensioactivo en MXene terminado y MX desnudo. (Reimpreso con autorización de Wiley-VCH Verlag) (haga clic en la imagen para ampliarla)
El viaje de MXenes comenzó con la exploración de su potencial como catalizadores, un componente crítico en numerosos procesos industriales. El mercado mundial de productos químicos, valorado en más de 5 billones de dólares en 2023, depende en gran medida de procesos catalíticos y se estima que el 85% de los productos químicos implican catálisis.
Los MXenes, sin embargo, surgieron como una alternativa prometedora, ofreciendo propiedades catalíticas similares a las de los metales nobles. Esta clase de materiales, derivados del grabado de capas de aluminio de las fases MAX (donde 'M' representa un metal de transición, 'A' para un elemento como el aluminio y 'X' para carbono y/o nitrógeno), presenta una intrigante y estructura electrónica sintonizable, ricos sitios tensioactivos y alta durabilidad térmica. Estas propiedades hacen que los MXenes sean particularmente atractivos para una variedad de aplicaciones, incluido el almacenamiento y conversión de energía, sensores y, sobre todo, catálisis.
Sin embargo, un talón de Aquiles ha obstaculizado las aplicaciones de catálisis de MXenes: las terminaciones superficiales. Los MXenos se forman espontáneamente al grabar precursores de fase MAX en capas en soluciones acuosas de fluoruro. El proceso de grabado deja grupos funcionales residuales como –OH, –F y –O terminados en las superficies de MXenes. Los investigadores han demostrado que estas terminaciones degradan significativamente las actividades catalíticas de los MXenes al bloquear sitios activos, alterar las estructuras de las bandas electrónicas y elevar las barreras de reacción.
El salto adelante: de MAX a MXene y a MX
La evolución de las fases MAX a MXenes, y posteriormente a MXenes sin terminación (denominados MX), es un foco clave de la investigación actual. La eliminación de terminaciones superficiales para crear MXene (MX) “desnudo” o sin terminaciones mejora drásticamente el rendimiento catalítico previsto. Las superficies desnudas de MX están repletas de sitios metálicos activos insaturados y completamente expuestos, listos para interactuar con adsorbatos. MX también exhibe conductividad metálica y estabilidad térmica hasta 500 °C, propiedades ideales para la catálisis en fase gaseosa a alta temperatura. Las simulaciones de primeros principios muestran que MX quimiosorbe fuertemente los intermedios y los estados de transición en reacciones que incluyen CO2 hidrogenación, cambio agua-gas y síntesis de amoníaco. Un estudio de principios de 2021 confirmó experimentalmente el Mo desnudo2CO superior de C MXene2 Cinética de hidrogenación sobre Mo2CTx MXene cubierto de terminación. Sin embargo, la falta de protocolos de síntesis escalables y las preocupaciones sobre la estabilidad acuosa del MX han obstruido futuras investigaciones sobre catálisis. El documento de perspectiva defiende que estos obstáculos son superables. Las terminaciones superficiales de MXenes se desorben por encima de 400 °C, lo que sugiere que es posible la formación de MX a alta temperatura. MX también debería permanecer estable para reacciones en fase gaseosa como el CO2 hidrogenación. Los autores sostienen que las perspectivas de MX en la catálisis heterogénea son brillantes, especialmente a medida que la investigación pasa de las síntesis a escala de laboratorio a la producción industrial. Las ventajas únicas preparan a MX para otras aplicaciones más allá de la catálisis. En las baterías, el MXene desnudo interactúa fuertemente con los polisulfuros en comparación con el MXene funcionalizado, lo que promete un mejor rendimiento del litio-azufre. Los sitios metálicos ácidos de Lewis también pueden permitir que MX reduzca electroquímicamente el dinitrógeno a amoníaco mejor que los electrocatalizadores MXene de superficie bloqueada evaluados hasta ahora. Una mayor adaptación mediante modificaciones de la composición, como alta entropía y aleación de un solo átomo, podría generar propiedades catalíticas superiores. Los efectos sinérgicos de múltiples metales y la tensión de la red en MX de alta entropía pueden reducir las barreras de reacción y las energías de unión. Anclar átomos individuales de platino, rutenio o iridio a MXenes también podría producir distribuciones maximizadas y altamente uniformes de sitios activos de metales preciosos. Para hacer realidad estos conceptos será necesario resolver primero los molestos obstáculos de la síntesis MX. Al recopilar evidencia teórica y experimental emergente, la revisión construye un caso convincente para el potencial sin explotar de los MXenes en la catálisis térmica de próxima generación. Si se pueden abordar los principales obstáculos relacionados con el escalamiento de la producción, la estabilización de la superficie y el rendimiento en el mundo real, los MXenes pueden finalmente cumplir su promesa como alternativas de catalizadores de alto rendimiento ampliamente disponibles. Aunque el camino a seguir sigue siendo desafiante, el rápido progreso en la investigación de MXene durante la última década inspira optimismo de que estos materiales ultrafinos podrían catalizar avances transformadores en toda la industria química.
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedad: empujando los límites de la tecnología,
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Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
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