28 december 2023 (Nanowerk-schijnwerper) Goedkope en op aarde overvloedige alternatieven voor dure edelmetaalkatalysatoren blijven een grote uitdaging in de voorhoede van de chemische industrie. Katalysatoren spelen een onmisbare rol in de overgrote meerderheid van industriële chemische processen door de reactiesnelheden te versnellen en belangrijke transformaties onder haalbare omstandigheden mogelijk te maken.
De gouden standaard-katalysatoren – platina en andere zeldzame metalen uit de platinagroep – blijven echter de wijdverspreide acceptatie en opschaling in belangrijke sectoren zoals brandstoffen, bulkchemicaliën en farmaceutische producten belemmeren als gevolg van aanbodbeperkingen en exorbitant hoge kosten. Deze aanhoudende behoefte heeft onlangs een aanzienlijke belangstelling gewekt voor een veelbelovende nieuwe klasse materialen, genaamd MXenen.
Dit artikel onderzoekt de inzichten en bevindingen vanuit een perspectiefpaper (Geavanceerde materialen, "MAX, MXene of MX: wat zijn ze en welke is beter?") door onderzoekers van de National University of Singapore, gericht op de vooruitgang in MXenes en hun potentiële impact op de katalyse- en energiesectoren.
A) Schematische weergave van de structuur van MAX naar MXene en vervolgens naar MX; B) Schematische illustratie van de huidige onderzoekstendensen in MXenen op basis van verschillende samenstellings- en structurele factoren die de intrinsieke eigenschappen van MXenen bepalen; C) Lokale atomaire coördinatie rond oppervlak Ti en schema van de orbitalen voor Ti − C3 in blote Ti3C2 en Ti−C3O3 octaëders in Ti3C2O2. De zwarte stippellijn bij 0 eV vertegenwoordigt EF; D) Schematische weergave van de vergelijking van de oppervlakteactieve site in beëindigde MXene en kale MX. (Herdrukt met toestemming van Wiley-VCH Verlag) (klik op afbeelding om te vergroten)
De reis van MXenes begon met de verkenning van hun potentieel als katalysator, een cruciaal onderdeel in tal van industriële processen. De mondiale chemiemarkt, die in 5 op ruim 2023 biljoen dollar wordt geschat, is sterk afhankelijk van katalytische processen, waarbij naar schatting 85% van de chemische producten katalytisch is.
MXenen kwamen echter naar voren als een veelbelovend alternatief, met vergelijkbare katalytische eigenschappen als edele metalen. Deze klasse materialen, afgeleid van het etsen van aluminiumlagen uit MAX-fasen (waarbij ‘M’ staat voor een overgangsmetaal, ‘A’ voor een element als aluminium en ‘X’ voor koolstof en/of stikstof), presenteert een intrigerend en afstembare elektronische structuur, rijke oppervlakteactieve locaties en hoge thermische duurzaamheid. Deze eigenschappen maken MXenen bijzonder aantrekkelijk voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder energieopslag en -conversie, sensoren en vooral katalyse.
Een achilleshiel heeft echter de katalysetoepassingen van MXenes belemmerd: oppervlakteafsluitingen. MXenen ontstaan spontaan bij het etsen van gelaagde MAX-fasevoorlopers in waterige fluorideoplossingen. Het etsproces laat resterende functionele groepen zoals –OH, –F en –O achter op de oppervlakken van MXenes. Onderzoekers hebben aangetoond dat deze beëindigingen de katalytische activiteiten van MXenen aanzienlijk verslechteren door actieve sites te blokkeren, elektronische bandstructuren te veranderen en reactiebarrières op te werpen.
De sprong voorwaarts: van MAX naar MXene naar MX
De evolutie van MAX-fasen naar MXenen, en verder naar beëindigingsvrije MXenen (ook wel MX genoemd), is een belangrijk aandachtspunt van het huidige onderzoek. Het verwijderen van oppervlakteafsluitingen om “kale” of afsluitingsvrije MXene (MX) te creëren verbetert de voorspelde katalytische prestaties drastisch. Kale MX-oppervlakken zitten vol met volledig blootgestelde, onverzadigde actieve metaallocaties die klaar zijn om te interageren met adsorbaten. MX vertoont ook metallische geleidbaarheid en thermische stabiliteit tot 500 °C, ideale eigenschappen voor gasfasekatalyse bij hoge temperaturen. Simulaties uit de eerste principes laten zien dat MX tussenproducten en overgangstoestanden in reacties, waaronder CO, sterk chemisorbeert2 hydrogenering, water-gas shift en ammoniaksynthese. Een onderzoek uit begin 2021 bevestigde experimenteel de kale Mo2C MXene's superieure CO2 hydrogeneringskinetiek over met terminatie bedekte Mo2CTx MXene. Niettemin hebben het gebrek aan schaalbare syntheseprotocollen en zorgen over de waterstabiliteit van MX verder katalyseonderzoek belemmerd. Het perspectiefdocument maakt duidelijk dat deze wegversperringen overkomelijk zijn. De oppervlakteafsluitingen van MXenes desorberen boven 400 °C, wat erop wijst dat MX-vorming bij hoge temperaturen mogelijk is. MX zou ook stabiel moeten blijven voor gasfasereacties zoals CO2 hydrogenering. De auteurs beweren dat de vooruitzichten van MX op het gebied van heterogene katalyse rooskleurig zijn, vooral nu het onderzoek overgaat van syntheses op laboratoriumschaal naar industriële productie. Unieke voordelen maken MX geschikt voor andere toepassingen dan katalyse. In batterijen heeft kaal MXene een sterke interactie met polysulfiden in vergelijking met gefunctionaliseerd MXene, wat verbeterde lithium-zwavelprestaties belooft. Lewis-zure metaallocaties kunnen MX ook in staat stellen om distikstof elektrochemisch te reduceren tot ammoniak dan de tot nu toe geëvalueerde MXene-elektrokatalysatoren aan het oppervlak. Verdere aanpassingen door middel van wijzigingen in de samenstelling, zoals hoge entropie en legering met één atoom, zouden superieure katalytische eigenschappen kunnen opleveren. De synergetische effecten van meerdere metalen en roosterspanning in MX met hoge entropie kunnen reactiebarrières en bindingsenergieën verlagen. Het verankeren van individuele platina-, ruthenium- of iridiumatomen aan MXenen zou eveneens zeer uniforme, maximale distributies van actieve plaatsen van edelmetalen kunnen opleveren. Om deze concepten te realiseren, moeten eerst de zeurende obstakels voor MX-synthese worden opgelost. Door opkomend theoretisch en experimenteel bewijsmateriaal te verzamelen, bouwt de review een overtuigend argument op voor het onbenutte potentieel van MXenes in de volgende generatie thermische katalyse. Als de belangrijkste knelpunten rond productieschaling, oppervlaktestabilisatie en prestaties in de echte wereld kunnen worden aangepakt, kunnen MXenes eindelijk hun belofte waarmaken als algemeen beschikbare, hoogwaardige katalysatoralternatieven. Hoewel het pad dat voor ons ligt een uitdaging blijft, wekt de snelle vooruitgang in het MXene-onderzoek van de afgelopen tien jaar optimisme dat deze ultradunne materialen transformatieve doorbraken in de chemische industrie zouden kunnen katalyseren.
– Michael is auteur van drie boeken van de Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: de grenzen van technologie verleggen,
Nanotechnologie: de toekomst is klein en
Nanoengineering: de vaardigheden en tools die technologie onzichtbaar maken
Copyright ©
Nanowerk LLC
Word een Spotlight-gastauteur! Sluit je aan bij onze grote en groeiende groep gastbijdragers. Heb je net een wetenschappelijk artikel gepubliceerd of heb je andere opwindende ontwikkelingen om te delen met de nanotechnologie-gemeenschap? Hier leest u hoe u op nanowerk.com publiceert.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64325.php
- : heeft
- :is
- :waar
- $UP
- 10
- 19
- 2021
- 2023
- 28
- 31
- 32
- 400
- 500
- 7
- 8
- 9
- a
- Over
- boven
- versnellen
- over
- actieve
- activiteiten
- aangesproken
- Adoptie
- vooruitgang
- voordelen
- vooruit
- toelaten
- ook
- alternatief
- alternatieven
- ammonia
- an
- en
- toepassingen
- ZIJN
- argumenteren
- rond
- dit artikel
- AS
- At
- atoom
- atomair
- aantrekkelijk
- auteur
- auteurs
- Beschikbaar
- b
- BAND
- barrières
- batterijen
- BE
- begon
- Berger
- Betere
- Verder
- verbindend
- Zwart
- blanco
- blokkeren
- Boeken
- knelpunten
- grenzen
- doorbraken
- Helder
- bouwt
- by
- Dit betekent dat we onszelf en onze geliefden praktisch vergiftigen.
- CAN
- carbon
- geval
- Catalyst
- katalysatoren
- katalyseren
- Centreren
- uitdagen
- uitdagend
- chemisch
- Chemische processen
- chemicaliën
- chemie
- klasse
- Klik
- gemeenschap
- vergeleken
- vergelijking
- dwingende
- bestanddeel
- concepten
- Zorgen
- voorwaarden
- geleidingsvermogen
- BEVESTIGD
- voortzetten
- Camper ombouw
- coördinatie
- Kosten
- kon
- en je merk te creëren
- kritisch
- Actueel
- Datum
- decennium
- gedemonstreerd
- Afgeleid
- bepalen
- ontwikkelingen
- anders
- Uitkeringen
- drastisch
- twee
- duurzaamheid
- Vroeg
- duurt
- elektronisch
- element
- voortgekomen
- opkomende
- waardoor
- energie-niveau
- Verbetert
- vergroten
- vooral
- geschat
- EV
- geëvalueerd
- bewijzen
- Evolutie
- opwindend
- vertoont
- duur
- experimenteel
- exploratie
- verkent
- blootgestelde
- factoren
- ver
- uitvoerbaar
- Tot slot
- bevindingen
- Voornaam*
- Focus
- gericht
- Voor
- Voorhoede
- formulier
- vorming
- Naar voren
- oppompen van
- aangewakkerd
- brandstoffen
- vervullen
- geheel
- functioneel
- verder
- toekomst
- gif
- Globaal
- groots
- Groep
- Groep
- Groeiend
- Gast
- Hebben
- hard
- Hoge
- hoge performantie
- zeer
- Hoe
- How To
- Echter
- HTTPS
- ideaal
- if
- beeld
- Impact
- belangrijk
- verbeterd
- in
- Inclusief
- individueel
- industrieel
- -industrie
- goedkoop
- inzichten
- inspireert
- interactie
- wisselwerking
- belang
- intrigerend
- intrinsiek
- waarbij
- mee
- jpg
- voor slechts
- sleutel
- Gebrek
- Groot
- gelaagde
- Legkippen
- Springen
- Lewis
- als
- beperkingen
- Lijn
- lokaal
- logo
- te verlagen
- Meerderheid
- maken
- MERKEN
- maken
- Markt
- materieel
- max
- Mei..
- metaal
- Metalen
- Michael
- Midden
- wijzigingen
- meest
- meervoudig
- MX
- naam
- nanotechnologie
- nationaal
- Noodzaak
- niettemin
- New
- volgende generatie
- Edele
- in het bijzonder
- vele
- obstakels
- of
- het aanbieden van
- on
- EEN
- Optimisme
- or
- Overige
- onze
- over
- Papier
- vooral
- verleden
- pad
- prestatie
- toestemming
- perspectief
- farmaceutische
- fase
- PHP
- platina
- Plato
- Plato gegevensintelligentie
- PlatoData
- Spelen
- mogelijk
- potentieel
- Kostbaar
- voorspeld
- cadeautjes
- Prime
- processen
- productie
- Producten
- Voortgang
- belofte
- veelbelovend
- vastgoed
- vooruitzichten
- protocollen
- publiceren
- gepubliceerde
- uitgever
- voortvarend
- zoektocht
- het verhogen van
- snel
- BIJZONDER
- Tarieven
- reactie
- reacties
- klaar
- echte wereld
- realiseren
- onlangs
- verminderen
- verwezen
- blijven
- stoffelijk overschot
- het verwijderen van
- vertegenwoordigt
- vereisen
- onderzoek
- onderzoekers
- oplossen
- beoordelen
- Rijk
- wegversperringen
- Rol
- koninklijk
- schaalbare
- vergroot
- scaling
- wetenschappelijk
- Sectoren
- sensor
- Delen
- verschuiving
- moet
- tonen
- aanzienlijke
- aanzienlijk
- gelijk
- Singapore
- single
- website
- Locaties
- vaardigheden
- Maatschappij
- Oplossingen
- Spotlight
- Stabiliteit
- stabiel
- staat
- Staten
- mediaopslag
- sterk
- structureel
- structuur
- structuren
- Studie
- superieur
- leveren
- Oppervlak
- synergetische
- synthese
- maatwerk
- Technologie
- neem contact
- dat
- De
- De toekomst
- hun
- harte
- theoretisch
- warmte-
- Deze
- ze
- dit
- toch?
- drie
- Door
- Dus
- Titel
- naar
- tools
- transformaties
- transformatieve
- overgang
- overgangen
- Triljoen
- voor
- unieke
- universiteit-
- onaangeboord
- updates
- URL
- us
- waardevol
- variëteit
- groot
- Wat
- wanneer
- welke
- wijd
- wijd verspreid
- wil
- Met
- X
- Opbrengst
- u
- Your
- zephyrnet