28. desember 2023 (Nanowerk Spotlight) Rimelige og jordrike alternativer til dyre edelmetallkatalysatorer er fortsatt en stor utfordring i forkant av den kjemiske industrien. Katalysatorer spiller en uunnværlig rolle i de aller fleste industrielle kjemiske prosesser ved å akselerere reaksjonshastigheter og muliggjøre viktige transformasjoner under gjennomførbare forhold.
Imidlertid fortsetter gullstandard-katalysatorene – platina og andre sjeldne metaller fra platinagruppen – å begrense utbredt bruk og oppskalering i nøkkelsektorer som drivstoff, bulkkjemikalier og farmasøytiske produkter på grunn av forsyningsbegrensninger og ublu kostnader. Dette vedvarende behovet har nylig skapt betydelig interesse for en lovende ny klasse materialer kalt MXenes.
Denne artikkelen utforsker innsikten og funnene fra et perspektivpapir (Advanced Materials, "MAX, MXene eller MX: Hva er de og hvilken er best?") av forskere ved National University of Singapore, med fokus på fremskritt innen MXenes og deres potensielle innvirkning på katalyse- og energisektorer.
A) Skjematisk illustrasjon av struktur fra MAX til MXene, og deretter MX; B) Skjematisk illustrasjon av nåværende forskningstendenser i MXener fra forskjellige komposisjonelle og strukturelle faktorer som bestemmer iboende egenskaper til MXener; C) Lokal atomkoordinasjon rundt overflate Ti og skjematisk av orbitalene for Ti−C3 i bar Ti3C2 og Ti−C3O3 oktaeder i Ti3C2O2. Den svarte stiplede linjen ved 0 eV representerer EF; D) Skjematisk illustrasjon av sammenligningen av det overflateaktive stedet i terminert MXene og bare MX. (Oppgitt med tillatelse av Wiley-VCH Verlag) (klikk på bildet for å forstørre)
Reisen til MXenes begynte med utforskningen av deres potensiale som katalysatorer, en kritisk komponent i en rekke industrielle prosesser. Det globale kjemiske markedet, verdsatt til over 5 billioner dollar i 2023, er sterkt avhengig av katalytiske prosesser, med anslagsvis 85 % av kjemiske produkter som involverer katalyse.
MXenes dukket imidlertid opp som et lovende alternativ, og ga lignende katalytiske egenskaper som edelmetaller. Denne klassen av materialer, avledet fra etsing av aluminiumslag fra MAX-faser (der 'M' står for et overgangsmetall, 'A' for et element som aluminium og 'X' for karbon og/eller nitrogen), presenterer en spennende og avstembar elektronisk struktur, rike overflateaktive steder og høy termisk holdbarhet. Disse egenskapene gjør MXenes spesielt attraktive for en rekke bruksområder, inkludert energilagring og -konvertering, sensorer og ikke minst katalyse.
Imidlertid har en akilleshæl hindret MXenes' katalyseapplikasjoner: overflateavslutninger. MXener dannes spontant ved etsing av lagdelte MAX-faseforløpere i vandige fluoridløsninger. Etseprosessen etterlater gjenværende funksjonelle grupper som -OH, -F og -O avsluttet på MXenes' overflater. Forskere har vist at disse termineringene betydelig forringer MXenes' katalytiske aktiviteter ved å blokkere aktive steder, endre elektroniske båndstrukturer og øke reaksjonsbarrierer.
Spranget fremover: Fra MAX til MXene til MX
Utviklingen fra MAX-faser til MXenes, og videre til termineringsfrie MXenes (referert til som MX), er et sentralt fokus i dagens forskning. Fjerning av overflateavslutninger for å skape "bar" eller termineringsfri MXene (MX) forbedrer den forutsagte katalytiske ytelsen drastisk. Bare MX-overflater vrimler av helt eksponerte, umettede aktive metallsteder som er klare til å samhandle med adsorbater. MX viser også metallisk ledningsevne og termisk stabilitet opp til 500 °C, ideelle egenskaper for høytemperatur gassfasekatalyse. Simuleringer med første prinsipp viser at MX sterkt kjemisorberer mellomprodukter og overgangstilstander i reaksjoner inkludert CO2 hydrogenering, vann-gassskift og ammoniakksyntese. En tidlig 2021-studie bekreftet eksperimentelt bare Mo2C MXene sin overlegne CO2 hydrogeneringskinetikk over termineringsdekket Mo2CTx MXene. Likevel har mangel på skalerbare synteseprotokoller og bekymringer om MXs vandige stabilitet hindret videre katalyseforskning. Perspektivpapiret gjør at disse veisperringene er overkommelige. MXenes' overflateavslutninger desorberer over 400 °C, noe som tyder på at MX-dannelse ved høy temperatur er mulig. MX bør også forbli stabil for gassfasereaksjoner som CO2 hydrogenering. Forfatterne argumenterer for at MXs utsikter innen heterogen katalyse er lyse, spesielt ettersom forskningen går over fra synteser i laboratorieskala til industrivennlig produksjon. Unike fordeler primer MX for andre applikasjoner utover katalyse. I batterier interagerer bare MXene sterkt med polysulfider sammenlignet med funksjonalisert MXene, og lover forbedret litium-svovelytelse. Lewis sure metallsteder kan også tillate MX å elektrokjemisk redusere dinitrogen til ammoniakk mieux mieux enn overflateblokkerte MXene-elektrokatalysatorer som er evaluert så langt. Ytterligere skreddersøm gjennom komposisjonsmodifikasjoner som høyentropi og enkeltatomlegering kan fremkalle overlegne katalytiske egenskaper. Flere metallers synergistiske effekter og gitterbelastning i høyentropi MX kan senke reaksjonsbarrierer og bindingsenergier. Forankring av individuelle platina-, ruthenium- eller iridiumatomer på MXenes kan likeledes gi svært ensartede, maksimerte fordelinger av aktive steder av edelt metall. Å realisere disse konseptene vil kreve å løse irriterende MX-syntesehindringer først. Ved å samle nye teoretiske og eksperimentelle bevis bygger gjennomgangen en overbevisende sak for bare MXenes sitt uutnyttede potensial i neste generasjons termisk katalyse. Hvis nøkkelflaskehalser rundt produksjonsskalering, overflatestabilisering og ytelse i den virkelige verden kan løses, kan MXenes endelig oppfylle løftet som allment tilgjengelige, høyytelseskatalysatoralternativer. Selv om veien videre forblir utfordrende, inspirerer rask fremgang i MXene-forskning det siste tiåret optimisme om at disse ultratynne materialene kan katalysere transformative gjennombrudd i den kjemiske industrien.
– Michael er forfatter av tre bøker av Royal Society of Chemistry:
Nano-samfunnet: Skyver teknologiens grenser,
Nanoteknologi: Fremtiden er litenog
Nanoengineering: Ferdighetene og verktøyene som gjør teknologien usynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gjesteforfatter! Bli med i vår store og voksende gruppe gjestebidragere. Har du nettopp publisert en vitenskapelig artikkel eller har andre spennende utvikling å dele med nanoteknologisamfunnet? Slik publiserer du på nanowerk.com.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64325.php
- : har
- :er
- :hvor
- $OPP
- 10
- 19
- 2021
- 2023
- 28
- 31
- 32
- 400
- 500
- 7
- 8
- 9
- a
- Om oss
- ovenfor
- akselerer
- tvers
- aktiv
- Aktiviteter
- adressert
- Adopsjon
- fremskritt
- fordeler
- fremover
- tillate
- også
- alternativ
- alternativer
- Ammoniakk
- an
- og
- søknader
- ER
- argumentere
- rundt
- Artikkel
- AS
- At
- atom
- atomic
- attraktiv
- forfatter
- forfattere
- tilgjengelig
- b
- BAND
- barrierer
- batterier
- BE
- begynte
- Berger
- Bedre
- Beyond
- bindende
- Svart
- blank
- blokkering
- bøker
- flaskehalser
- grenser
- gjennombrudd
- Bright
- bygger
- by
- som heter
- CAN
- karbon
- saken
- Catalyst
- katalysatorer
- katalyserer
- sentrum
- utfordre
- utfordrende
- kjemisk
- Kjemiske prosesser
- kjemikalier
- kjemi
- klasse
- klikk
- samfunnet
- sammenlignet
- sammenligning
- overbevisende
- komponent
- konsepter
- bekymringer
- forhold
- ledningsevne
- BEKREFTET
- fortsette
- Konvertering
- samordning
- Kostnad
- kunne
- skape
- kritisk
- Gjeldende
- Dato
- tiår
- demonstrert
- Avledet
- bestemme
- utviklingen
- forskjellig
- Distribusjoner
- drastisk
- to
- slitestyrke
- Tidlig
- effekter
- elektronisk
- element
- dukket
- Emery
- muliggjør
- energi
- Forbedrer
- forstørre
- spesielt
- anslått
- EV
- evaluert
- bevis
- evolusjon
- spennende
- utstillinger
- dyrt
- eksperimentell
- leting
- utforsker
- utsatt
- faktorer
- langt
- gjennomførbart
- Endelig
- funn
- Først
- Fokus
- fokusering
- Til
- teten
- skjema
- formasjon
- Forward
- fra
- drevet
- brensel
- Innfri
- fullt
- funksjonelle
- videre
- framtid
- gif
- Global
- grand
- Gruppe
- Gruppens
- Økende
- Gjest
- Ha
- tungt
- Høy
- høy ytelse
- svært
- Hvordan
- Hvordan
- Men
- HTTPS
- ideell
- if
- bilde
- Påvirkning
- viktig
- forbedret
- in
- Inkludert
- individuelt
- industriell
- industri
- billig
- innsikt
- inspirerer
- samhandle
- interaktiv
- interesse
- fascinerende
- egenverdi
- involverer
- bli medlem
- reise
- jpg
- bare
- nøkkel
- maling
- stor
- lagdelte
- lag
- Hoppe
- Lewis
- i likhet med
- begrensninger
- linje
- lokal
- logo
- lavere
- Flertall
- gjøre
- GJØR AT
- Making
- marked
- materialer
- max
- Kan..
- metall
- Metaller
- Michael
- Middle
- modifikasjoner
- mest
- flere
- MX
- navn
- nanoteknologi
- nasjonal
- Trenger
- likevel
- Ny
- neste generasjon
- Noble
- spesielt
- mange
- hindringer
- of
- tilby
- on
- ONE
- optimisme
- or
- Annen
- vår
- enn
- Papir
- spesielt
- Past
- banen
- ytelse
- tillatelse
- perspektiv
- legemidler
- fase
- PHP
- platina
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- Spille
- mulig
- potensiell
- Dyrebar
- spådd
- gaver
- Prime
- prosess
- Prosesser
- Produksjon
- Produkter
- Progress
- løfte
- lovende
- egenskaper
- prospekter
- protokoller
- publisere
- publisert
- utgiver
- Skyver
- søken
- heve
- rask
- SJELDEN
- priser
- reaksjon
- reaksjoner
- klar
- virkelige verden
- realisere
- nylig
- redusere
- referert
- forbli
- forblir
- fjerne
- representerer
- krever
- forskning
- forskere
- løse
- anmeldelse
- Rich
- veisperringer
- Rolle
- kongelig
- skalerbar
- skalere opp
- skalering
- vitenskapelig
- sektorer
- sensorer
- Del
- skift
- bør
- Vis
- signifikant
- betydelig
- lignende
- Singapore
- enkelt
- nettstedet
- Nettsteder
- ferdigheter
- Samfunnet
- Solutions
- Spotlight
- Stabilitet
- stabil
- står
- Stater
- lagring
- sterk
- strukturell
- struktur
- strukturer
- Studer
- overlegen
- levere
- overflaten
- synergistisk
- syntese
- sying
- Teknologi
- enn
- Det
- De
- Fremtiden
- deres
- deretter
- teoretiske
- termisk
- Disse
- de
- denne
- selv om?
- tre
- Gjennom
- Dermed
- Tittel
- til
- verktøy
- transformasjoner
- transformative
- overgang
- overganger
- Trillion
- etter
- unik
- universitet
- uutnyttet
- oppdateringer
- URL
- us
- verdsatt
- variasjon
- enorme
- Hva
- når
- hvilken
- allment
- utbredt
- vil
- med
- X
- Utbytte
- du
- Din
- zephyrnet