28 de dezembro de 2023 (Destaque do Nanowerk) Alternativas baratas e abundantes na Terra aos caros catalisadores de metais nobres continuam a ser um grande desafio na vanguarda da indústria química. Os catalisadores desempenham um papel indispensável na grande maioria dos processos químicos industriais, acelerando as taxas de reação e permitindo transformações importantes sob condições viáveis.
No entanto, os catalisadores padrão-ouro – platina e outros metais raros do grupo da platina – continuam a restringir a adoção generalizada e a expansão em setores-chave como combustíveis, produtos químicos a granel e produtos farmacêuticos devido a limitações de fornecimento e custos exorbitantes. Esta necessidade persistente alimentou recentemente um interesse significativo numa nova e promissora classe de materiais chamada MXenes.
Este artigo explora os insights e descobertas de um artigo de perspectiva (Materiais avançados, “MAX, MXene ou MX: o que são e qual é o melhor?”) por pesquisadores da Universidade Nacional de Cingapura, com foco nos avanços nos MXenes e seu impacto potencial nos setores de catálise e energia.
A) Ilustração esquemática da estrutura do MAX ao MXene e depois ao MX; B) Ilustração esquemática das tendências atuais de pesquisa em MXenes a partir de diferentes fatores composicionais e estruturais que determinam propriedades intrínsecas dos MXenes; C) Coordenação atômica local em torno da superfície Ti e esquema dos orbitais para Ti−C3 em Ti nua3C2 e Ti-C3O3 octaedros em Ti3C2O2. A linha tracejada preta em 0 eV representa EF; D) Ilustração esquemática da comparação do sítio ativo de superfície em MXene terminado e MX nu. (Reproduzido com permissão de Wiley-VCH Verlag) (clique na imagem para ampliar)
A jornada dos MXenes começou com a exploração do seu potencial como catalisadores, um componente crítico em numerosos processos industriais. O mercado global de produtos químicos, avaliado em mais de 5 biliões de dólares em 2023, depende fortemente de processos catalíticos, com cerca de 85% dos produtos químicos envolvendo catálise.
Os MXenes, no entanto, surgiram como uma alternativa promissora, oferecendo propriedades catalíticas semelhantes às dos metais nobres. Esta classe de materiais, derivada da gravação de camadas de alumínio das fases MAX (onde 'M' representa um metal de transição, 'A' para um elemento como o alumínio e 'X' para carbono e/ou nitrogênio), apresenta uma intrigante e estrutura eletrônica sintonizável, ricos locais tensoativos e alta durabilidade térmica. Essas propriedades tornam os MXenes particularmente atraentes para uma variedade de aplicações, incluindo armazenamento e conversão de energia, sensores e, mais notavelmente, catálise.
No entanto, um calcanhar de Aquiles dificultou as aplicações de catálise do MXenes: terminações de superfície. Os MXenes se formam espontaneamente ao gravar precursores da fase MAX em camadas em soluções aquosas de flúor. O processo de gravação deixa grupos funcionais residuais como –OH, –F e –O terminados nas superfícies dos MXenes. Os pesquisadores demonstraram que essas terminações degradam significativamente as atividades catalíticas dos MXenes, bloqueando os sítios ativos, alterando as estruturas das bandas eletrônicas e aumentando as barreiras de reação.
O salto em frente: do MAX ao MXene e ao MX
A evolução das fases MAX para MXenes, e posteriormente para MXenes sem terminação (referidos como MX), é um foco principal da pesquisa atual. A remoção de terminações de superfície para criar MXene (MX) “nu” ou sem terminações melhora drasticamente o desempenho catalítico previsto. As superfícies Bare MX estão repletas de locais de metal ativo insaturados e totalmente expostos, prontos para interagir com adsorbatos. MX também exibe condutividade metálica e estabilidade térmica de até 500 °C, propriedades ideais para catálise em fase gasosa de alta temperatura. Simulações de primeiros princípios mostram que o MX absorve fortemente intermediários e estados de transição em reações incluindo CO2 hidrogenação, mudança água-gás e síntese de amônia. Um estudo do início de 2021 confirmou experimentalmente o Mo puro2CO superior do C MXene2 cinética de hidrogenação sobre Mo2CTx MXene coberto por terminação. No entanto, a falta de protocolos de síntese escalonáveis e as preocupações com a estabilidade aquosa do MX obstruíram futuras pesquisas sobre catálise. O documento de perspectiva defende que estes obstáculos são superáveis. As terminações superficiais dos MXenes são dessorvidas acima de 400 ° C, sugerindo que é possível a formação de MX em alta temperatura. MX também deve permanecer estável para reações em fase gasosa como CO2 hidrogenação. Os autores argumentam que as perspectivas do MX em catálise heterogênea são brilhantes, especialmente à medida que a pesquisa transita de sínteses em escala de laboratório para uma produção favorável à indústria. Vantagens exclusivas privilegiam o MX para outras aplicações além da catálise. Em baterias, o MXene puro interage fortemente com polissulfetos em comparação com o MXene funcionalizado, prometendo melhor desempenho de lítio-enxofre. Os locais de metal ácido de Lewis também podem permitir que o MX reduza eletroquimicamente o dinitrogênio em amônia melhor do que os eletrocatalisadores MXene bloqueados na superfície avaliados até agora. A adaptação adicional por meio de modificações de composição, como alta entropia e liga de átomo único, poderia obter propriedades catalíticas superiores. Os efeitos sinérgicos de múltiplos metais e a tensão da rede em MX de alta entropia podem reduzir as barreiras de reação e as energias de ligação. A ancoragem de átomos individuais de platina, rutênio ou irídio em MXenes também poderia produzir distribuições maximizadas e altamente uniformes de sítios ativos de metais preciosos. A concretização desses conceitos exigirá primeiro a resolução de obstáculos incômodos à síntese de MX. Ao reunir evidências teóricas e experimentais emergentes, a revisão constrói um caso convincente para o potencial inexplorado dos MXenes na catálise térmica de próxima geração. Se os principais gargalos em torno do escalonamento da produção, estabilização de superfície e desempenho no mundo real puderem ser resolvidos, os MXenes poderão finalmente cumprir sua promessa como alternativas de catalisadores de alto desempenho amplamente disponíveis. Embora o caminho a seguir continue desafiador, o rápido progresso na pesquisa do MXene na última década inspira otimismo de que esses materiais ultrafinos possam catalisar avanços transformadores em toda a indústria química.
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nano-sociedade: ultrapassando os limites da tecnologia,
Nanotecnologia: o futuro é minúsculo e
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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