28년 2023월 XNUMX일(나노 워크 스포트라이트) 값비싼 귀금속 촉매에 대한 저렴하고 지구에 풍부한 대안은 화학 산업의 최전선에서 여전히 큰 과제로 남아 있습니다. 촉매는 반응 속도를 가속화하고 실현 가능한 조건에서 중요한 변환을 가능하게 함으로써 대부분의 산업 화학 공정에서 없어서는 안될 역할을 합니다.
그러나 백금 및 기타 희귀 백금족 금속과 같은 표준 촉매는 공급 제한 및 엄청난 비용으로 인해 연료, 벌크 화학 물질 및 의약품과 같은 주요 부문에서 광범위한 채택과 규모 확대를 계속 제한하고 있습니다. 이러한 지속적인 요구는 최근 유망한 새로운 종류의 재료에 대한 상당한 관심을 불러일으켰습니다. 맥신.
이 기사에서는 관점 논문(고급 재료, “MAX, MXene 또는 MX: 무엇이고 어느 것이 더 나은가요?”) 싱가포르 국립대학교 연구원들이 MXenes의 발전과 촉매 및 에너지 부문에 미치는 잠재적 영향에 중점을 두고 있습니다.
A) MAX에서 MXene, 그리고 MX까지의 구조를 도식적으로 나타낸 것입니다. B) MXene의 고유 특성을 결정하는 다양한 구성 및 구조적 요인으로부터 MXene의 현재 연구 경향을 개략적으로 설명합니다. C) 표면 Ti 주변의 국부적인 원자 배위 및 Ti−C에 대한 궤도의 개략도3 베어 Ti에서3C2 및 Ti-C3O3 Ti의 팔면체3C2O2. 0eV의 검은 점선은 EF를 나타냅니다. D) 종료된 MXene과 노출된 MX의 표면 활성 부위 비교에 대한 개략도. (Wiley-VCH Verlag의 허가를 받아 재인쇄됨) (확대하려면 이미지를 클릭하세요)
MXenes의 여정은 수많은 산업 공정에서 중요한 구성 요소인 촉매로서의 잠재력을 탐구하는 것에서 시작되었습니다. 5년에 2023조 달러 이상의 가치를 지닌 세계 화학 시장은 촉매 공정에 크게 의존하고 있으며, 약 85%의 화학 제품이 촉매와 관련되어 있습니다.
그러나 MXene은 귀금속과 유사한 촉매 특성을 제공하는 유망한 대안으로 떠올랐습니다. MAX 단계('M'은 전이 금속을 나타내고 'A'는 알루미늄과 같은 원소를 나타내고 'X'는 탄소 및/또는 질소를 나타냄)에서 알루미늄 층을 에칭하여 파생된 이 종류의 재료는 흥미로운 현상을 나타냅니다. 조정 가능한 전자 구조, 풍부한 표면 활성 사이트 및 높은 열 내구성. 이러한 특성으로 인해 MXene은 에너지 저장 및 변환, 센서, 특히 촉매 작용을 포함한 다양한 응용 분야에 특히 매력적입니다.
그러나 아킬레스 건은 MXenes의 촉매 응용 분야인 표면 종료를 방해했습니다. MXene은 불화물 수용액에서 층상 MAX 상 전구체를 에칭할 때 자발적으로 형성됩니다. 에칭 공정은 MXenes의 표면에 -OH, -F 및 -O와 같은 잔류 작용기를 남깁니다. 연구자들은 이러한 종결이 활성 부위를 차단하고 전자 밴드 구조를 변경하며 반응 장벽을 높임으로써 MXene의 촉매 활동을 크게 저하시킨다는 것을 입증했습니다.
도약: MAX에서 MXene, MX까지
MAX 단계에서 MXene으로의 진화, 그리고 더 나아가 종단이 없는 MXene(MX라고 함)으로의 진화는 현재 연구의 핵심 초점입니다. 표면 종단을 제거하여 "베어" 또는 종단이 없는 MXene(MX)을 생성하면 예상 촉매 성능이 크게 향상됩니다. 순수 MX 표면은 흡착물과 상호작용할 준비가 되어 있는 완전히 노출된 불포화 활성 금속 부위로 가득 차 있습니다. MX는 또한 금속 전도성과 최대 500°C의 열 안정성을 나타내며, 이는 고온 기상 촉매작용에 이상적인 특성입니다. 첫 번째 원리 시뮬레이션은 MX가 CO를 포함한 반응에서 중간체와 전이 상태를 강력하게 화학 흡착한다는 것을 보여줍니다.2 수소화, 수성 가스 이동 및 암모니아 합성. 2021년 초 연구에서 베어 Mo가 실험적으로 확인되었습니다.2C MXene의 우수한 CO2 말단으로 덮인 Mo2CTx MXene에 대한 수소화 동역학. 그럼에도 불구하고 확장 가능한 합성 프로토콜이 부족하고 MX의 수성 안정성에 대한 우려로 인해 추가 촉매 연구에 방해가 되었습니다. 관점 논문은 이러한 장애물을 극복할 수 있음을 보여줍니다. MXenes의 표면 종단은 400°C 이상에서 탈착되어 고온 MX 형성이 가능함을 시사합니다. MX는 CO와 같은 기체상 반응에서도 안정적으로 유지되어야 합니다.2 수소화. 저자들은 특히 연구실 규모의 합성에서 산업계에서 사용 가능한 생산으로 연구가 전환됨에 따라 이종 촉매 작용에서 MX의 전망이 밝다고 주장합니다. 독특한 장점은 MX를 촉매작용 이외의 다른 응용 분야에 적합하게 만듭니다. 배터리에서 순수 MXene은 기능화된 MXene에 비해 다황화물과 강력하게 상호 작용하여 향상된 리튬-황 성능을 약속합니다. 루이스 산성 금속 부위는 또한 MX가 지금까지 평가된 표면 차단 MXene 전기촉매보다 전기화학적으로 이질소를 암모니아 mieux mieux로 감소시키는 것을 허용할 수 있습니다. 고엔트로피 및 단일 원자 합금과 같은 구성 변형을 통해 추가 조정을 통해 우수한 촉매 특성을 이끌어낼 수 있습니다. 높은 엔트로피 MX에서 여러 금속의 시너지 효과와 격자 변형은 반응 장벽과 결합 에너지를 낮출 수 있습니다. 개별 백금, 루테늄 또는 이리듐 원자를 MXene에 고정하면 귀금속 활성 부위의 매우 균일하고 최대화된 분포를 얻을 수 있습니다. 이러한 개념을 실현하려면 먼저 잔소리하는 MX 합성 장애물을 해결해야 합니다. 새로운 이론 및 실험적 증거를 수집함으로써 이 리뷰는 차세대 열 촉매 작용에서 순수 MXene의 미개척 잠재력에 대한 설득력 있는 사례를 구축합니다. 생산 규모 확장, 표면 안정화 및 실제 성능과 관련된 주요 병목 현상이 해결될 수 있다면 MXenes는 마침내 널리 사용 가능한 고성능 촉매 대안으로서의 약속을 이행할 수 있습니다. 앞으로의 길은 여전히 험난하지만, 지난 10년 동안 MXene 연구의 급속한 발전은 이러한 초박형 소재가 화학 산업 전반에 혁신적인 혁신을 촉진할 수 있다는 낙관론을 불러일으킵니다.
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마이클
버거
– Michael은 Royal Society of Chemistry에서 다음 세 권의 책을 저술했습니다.
나노 사회 : 기술의 경계를 넓히다,
나노 기술 : 미래는 작다및
나노 엔지니어링 : 기술을 보이지 않게하는 기술과 도구
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