28 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerkスポットライト) 高価な貴金属触媒に代わる安価で地球に豊富な代替品は、化学産業の最前線において依然として大きな課題となっています。触媒は、反応速度を加速し、実行可能な条件下で重要な変換を可能にすることで、工業的な化学プロセスの大部分において不可欠な役割を果たします。
しかし、プラチナやその他の希少な白金族金属などのゴールドスタンダード触媒は、供給制限と法外なコストのため、燃料、バルク化学薬品、医薬品などの主要分野での広範な採用と規模拡大を引き続き抑制しています。この根強いニーズにより、最近、と呼ばれる有望な新種の材料に対する大きな関心が高まっています。 MXenes。
この記事では、パースペクティブ ペーパー (先端材料, 「MAX、MXene、または MX: それらは何ですか? どれが優れていますか?」) シンガポール国立大学の研究者らによる論文で、MXene の進歩と触媒およびエネルギー分野への潜在的な影響に焦点を当てています。
A) MAX から MXene、そして MX までの構造の概略図。 B) MXene の固有の特性を決定するさまざまな組成および構造要因からの MXene の現在の研究傾向の概略図。 C) 表面 Ti 周囲の局所原子配位と Ti−C の軌道の概略図3 裸のティで3C2 およびTi−C3O3 Ti の八面体3C2O2。 0 eV の黒い破線は EF を表します。 D) 終端された MXene と裸の MX の表面活性部位の比較の概略図。 (Wiley-VCH Verlag の許可を得て転載) (画像をクリックすると拡大します)
MXenes の旅は、多くの工業プロセスにおいて重要なコンポーネントである触媒としての可能性を探求することから始まりました。 5 年に 2023 兆米ドルを超える規模となる世界の化学市場は、触媒プロセスに大きく依存しており、化学製品の 85% に触媒が関与していると推定されています。
しかし、MXenes は貴金属と同様の触媒特性を提供する有望な代替品として浮上しました。 MAX 相 (「M」は遷移金属、「A」はアルミニウムなどの元素、「X」は炭素および/または窒素を表します) からのアルミニウム層のエッチングから派生したこのクラスの材料は、興味深い性質を示します。調整可能な電子構造、豊富な表面活性サイト、および高い熱耐久性を備えています。これらの特性により、MXene はエネルギー貯蔵と変換、センサー、そして最も注目すべき触媒作用を含むさまざまな用途にとって特に魅力的です。
しかし、アキレス腱がMXenesの触媒用途、つまり表面終端を妨げています。フッ化物水溶液中で層状 MAX 相前駆体をエッチングすると、MXene が自発的に形成されます。エッチングプロセスでは、MXenes の表面に –OH、–F、–O などの官能基が末端に残ります。研究者らは、これらの末端が活性部位をブロックし、電子バンド構造を変化させ、反応障壁を上昇させることにより、MXene の触媒活性を大幅に低下させることを実証しました。
飛躍: MAX から MXene、そして MX へ
MAX フェーズから MXene へ、さらには終端のない MXene (MX と呼ばれます) への進化が、現在の研究の重要な焦点です。 表面終端を除去して「裸の」または終端のない MXene (MX) を作成すると、予測される触媒性能が大幅に向上します。裸の MX 表面には、吸着物と相互作用しやすい完全に露出した不飽和の活性金属部位がたくさんあります。 MX は金属伝導性と 500 °C までの熱安定性も示し、高温気相触媒にとって理想的な特性を示します。 第一原理シミュレーションにより、MX は CO を含む反応において中間体と遷移状態を強力に化学吸着することが示されました2 水素化、水性ガスシフトおよびアンモニア合成。 2021年初頭の研究で裸のMoが実験的に確認された2C MXene の優れた CO2 末端で覆われた Mo2CTx MXene での水素化反応速度論。それにもかかわらず、拡張可能な合成プロトコルの欠如と MX の水中での安定性に関する懸念により、さらなる触媒研究が妨げられています。 展望論文では、これらの障害は克服可能であると主張しています。 MXenes の表面終端は 400 °C 以上で脱離し、高温での MX 形成が可能であることを示唆しています。 MX は、CO のような気相反応に対しても安定性を保つ必要があります。2 水素化。著者らは、特に研究が研究室規模の合成から産業に適した生産に移行する中で、不均一系触媒におけるMXの見通しは明るいと主張している。 MX の独自の利点は、触媒作用以外の他の用途にも最適です。電池では、裸の MXene は官能化された MXene と比較して多硫化物と強く相互作用し、リチウム硫黄の性能向上が期待されます。ルイス酸性金属部位により、これまでに評価された表面ブロックされたMXene電極触媒よりもMXが窒素を電気化学的にアンモニアミューミューに還元できる可能性がある。 高エントロピーや単一原子合金化などの組成変更によりさらに調整することで、優れた触媒特性を引き出す可能性があります。高エントロピー MX における複数の金属の相乗効果と格子歪みにより、反応障壁と結合エネルギーが低下する可能性があります。個々の白金、ルテニウム、またはイリジウム原子を MXene に固定すると、同様に、貴金属活性サイトの非常に均一で最大の分布が得られる可能性があります。これらの概念を実現するには、最初に厄介な MX 合成の障害を解決する必要があります。 このレビューでは、新たな理論的証拠と実験的証拠を照合することで、次世代の熱触媒におけるベア MXene の未開発の可能性についての説得力のある事例を構築しています。生産規模の拡大、表面の安定化、現実世界の性能に関する主要なボトルネックに対処できれば、MXenes は広く入手可能な高性能触媒の代替品としての約束を最終的に果たせるかもしれません。今後の道のりは依然として困難ですが、過去 10 年間の MXene 研究の急速な進歩は、これらの極薄材料が化学業界全体に革新的なブレークスルーを引き起こす可能性があるという楽観的な見方を引き起こしています。
– マイケルは王立化学会による XNUMX 冊の本の著者です。
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- 情報源: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64325.php
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