28 décembre 2023 (Projecteur Nanowerk) Les alternatives peu coûteuses et abondantes sur Terre aux catalyseurs coûteux à base de métaux nobles restent un défi de taille à l'avant-garde de l'industrie chimique. Les catalyseurs jouent un rôle indispensable dans la grande majorité des processus chimiques industriels en accélérant les vitesses de réaction et en permettant des transformations importantes dans des conditions réalisables.
Cependant, les catalyseurs de référence – le platine et d’autres métaux rares du groupe du platine – continuent de freiner leur adoption généralisée et leur développement dans des secteurs clés comme les carburants, les produits chimiques en vrac et les produits pharmaceutiques en raison des limites de l’offre et des coûts exorbitants. Ce besoin persistant a récemment suscité un intérêt considérable pour une nouvelle classe prometteuse de matériaux appelés MXènes.
Cet article explore les idées et les conclusions d’un document de perspective (Matériaux avancés, « MAX, MXene ou MX : que sont-ils et lequel est le meilleur ? ») par des chercheurs de l'Université nationale de Singapour, en se concentrant sur les progrès des MXenes et leur impact potentiel sur les secteurs de la catalyse et de l'énergie.
A) Illustration schématique de la structure de MAX à MXene, puis MX ; B) Illustration schématique des tendances actuelles de la recherche sur les MXènes à partir de différents facteurs de composition et de structure déterminant les propriétés intrinsèques des MXènes ; C) Coordination atomique locale autour de la surface Ti et schématique des orbitales pour Ti−C3 en Ti nu3C2 et Ti−C3O3 octaèdres en Ti3C2O2. La ligne pointillée noire à 0 eV représente EF ; D) Illustration schématique de la comparaison du site tensioactif dans le MXène terminé et le MX nu. (Réimprimé avec la permission de Wiley-VCH Verlag) (cliquez sur l'image pour l'agrandir)
Le parcours des MXenes a commencé avec l’exploration de leur potentiel en tant que catalyseurs, un élément essentiel dans de nombreux processus industriels. Le marché mondial des produits chimiques, évalué à plus de 5 2023 milliards de dollars américains en 85, repose fortement sur les processus catalytiques, avec environ XNUMX % des produits chimiques impliquant une catalyse.
Les MXènes sont cependant apparus comme une alternative prometteuse, offrant des propriétés catalytiques similaires à celles des métaux nobles. Cette classe de matériaux, issue de la gravure de couches d'aluminium à partir de phases MAX (où « M » représente un métal de transition, « A » pour un élément comme l'aluminium et « X » pour le carbone et/ou l'azote), présente un potentiel intrigant. et une structure électronique réglable, des sites tensioactifs riches et une durabilité thermique élevée. Ces propriétés rendent les MXènes particulièrement attractifs pour diverses applications, notamment le stockage et la conversion d'énergie, les capteurs et, plus particulièrement, la catalyse.
Cependant, un talon d’Achille a gêné les applications de catalyse des MXenes : les terminaisons de surface. Les MXènes se forment spontanément lors de la gravure de précurseurs de phase MAX en couches dans des solutions aqueuses de fluorure. Le processus de gravure laisse des groupes fonctionnels résiduels tels que –OH, –F et –O terminés sur les surfaces des MXenes. Les chercheurs ont démontré que ces terminaisons dégradent considérablement les activités catalytiques des MXènes en bloquant les sites actifs, en modifiant les structures des bandes électroniques et en élevant des barrières de réaction.
Le bond en avant : de MAX à MXene en passant par MX
L'évolution des phases MAX vers les MXènes, puis vers les MXènes sans terminaison (appelés MX), est un objectif clé de la recherche actuelle. La suppression des terminaisons de surface pour créer du MXene (MX) « nu » ou sans terminaison améliore considérablement les performances catalytiques prévues. Les surfaces nues MX regorgent de sites métalliques actifs entièrement exposés et insaturés, prêts à interagir avec les adsorbats. MX présente également une conductivité métallique et une stabilité thermique jusqu'à 500 °C, propriétés idéales pour la catalyse en phase gazeuse à haute température. Les simulations des premiers principes montrent que MX chimisorbe fortement les intermédiaires et les états de transition dans les réactions incluant le CO2 hydrogénation, conversion eau-gaz et synthèse d'ammoniac. Une étude début 2021 a confirmé expérimentalement le Mo nu2Le CO supérieur de C MXene2 cinétique d'hydrogénation sur Mo2CTx MXene recouvert de terminaisons. Néanmoins, le manque de protocoles de synthèse évolutifs et les préoccupations concernant la stabilité aqueuse du MX ont entravé la poursuite des recherches sur la catalyse. Le document de perspective démontre que ces obstacles sont surmontables. Les terminaisons de surface des MXènes se désorbent au-dessus de 400 °C, ce qui suggère qu'une formation de MX à haute température est possible. MX devrait également rester stable pour les réactions en phase gazeuse comme le CO2 hydrogénation. Les auteurs affirment que les perspectives de MX en matière de catalyse hétérogène sont brillantes, en particulier à mesure que la recherche passe des synthèses à l’échelle du laboratoire à une production adaptée à l’industrie. Des avantages uniques permettent à MX de s'adapter à d'autres applications au-delà de la catalyse. Dans les batteries, le MXène nu interagit fortement avec les polysulfures par rapport au MXène fonctionnalisé, promettant des performances lithium-soufre améliorées. Les sites métalliques acides de Lewis peuvent également permettre au MX de réduire électrochimiquement le diazote en ammoniac, mieux que les électrocatalyseurs MXène bloqués en surface évalués jusqu'à présent. Une adaptation plus poussée grâce à des modifications de composition telles que des alliages à haute entropie et à un seul atome pourrait entraîner des propriétés catalytiques supérieures. Les effets synergiques de plusieurs métaux et la déformation du réseau dans le MX à haute entropie peuvent réduire les barrières de réaction et les énergies de liaison. L'ancrage d'atomes individuels de platine, de ruthénium ou d'iridium sur des MXènes pourrait également produire des distributions très uniformes et maximisées de sites actifs de métaux précieux. La réalisation de ces concepts nécessitera d’abord de résoudre les obstacles persistants de la synthèse MX. En rassemblant des preuves théoriques et expérimentales émergentes, la revue établit des arguments convaincants en faveur du potentiel inexploité des MXenes nus dans la catalyse thermique de nouvelle génération. Si les principaux goulots d'étranglement liés à l'augmentation de la production, à la stabilisation de la surface et aux performances réelles peuvent être résolus, les MXenes pourraient enfin tenir leur promesse en tant qu'alternatives de catalyseurs hautes performances largement disponibles. Même si le chemin à parcourir reste difficile, les progrès rapides de la recherche sur le MXene au cours de la dernière décennie incitent à l’optimisme quant au fait que ces matériaux ultra-minces pourraient catalyser des avancées transformatrices dans l’industrie chimique.
– Michael est l'auteur de trois livres de la Royal Society of Chemistry :
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