28 декабря 2023 г. (Nanowerk В центре внимания) Недорогие и широко распространенные альтернативы дорогим катализаторам из благородных металлов остаются серьезной проблемой на переднем крае химической промышленности. Катализаторы играют незаменимую роль в подавляющем большинстве промышленных химических процессов, ускоряя скорость реакций и обеспечивая важные превращения в возможных условиях.
Однако катализаторы золотого стандарта – платина и другие редкие металлы платиновой группы – продолжают сдерживать широкое внедрение и масштабирование в ключевых секторах, таких как топливо, химическая промышленность и фармацевтика, из-за ограничений поставок и непомерных затрат. Эта сохраняющаяся потребность в последнее время вызвала значительный интерес к новому многообещающему классу материалов, называемому MXenes.
В этой статье исследуются идеи и выводы из перспективной статьи (Передовые материалы, «MAX, MXene или MX: что это такое и какой лучше?») исследователей из Национального университета Сингапура, сосредоточив внимание на достижениях в области MXenes и их потенциальном влиянии на катализ и энергетику.
А) Схематическая иллюстрация структуры от MAX до MXene, а затем MX; Б) Схематическая иллюстрация текущих тенденций исследований MXenes на основе различных композиционных и структурных факторов, определяющих внутренние свойства MXenes; C) Локальная координация атомов вокруг поверхности Ti и схема орбиталей Ti-C.3 в голом Ти3C2 и Ti-C3O3 октаэдры в Ti3C2O2. Черная пунктирная линия при 0 эВ представляет собой EF; D) Схематическая иллюстрация сравнения поверхностного активного центра в терминированном MXene и голом MX. (Перепечатано с разрешения Wiley-VCH Verlag) (нажмите на изображение, чтобы увеличить)
Путешествие MXenes началось с исследования их потенциала в качестве катализаторов, важнейшего компонента во многих промышленных процессах. Мировой рынок химикатов, стоимость которого в 5 году составит более 2023 триллионов долларов США, в значительной степени зависит от каталитических процессов: по оценкам, 85% химических продуктов используют катализ.
Однако MXenes оказались многообещающей альтернативой, предлагая каталитические свойства, аналогичные благородным металлам. Этот класс материалов, полученный в результате травления слоев алюминия из MAX-фаз (где «M» означает переходный металл, «A» — такой элемент, как алюминий, а «X» — углерод и/или азот), представляет собой интригующую возможность. настраиваемая электронная структура, богатые поверхностно-активные центры и высокая термическая стойкость. Эти свойства делают MXenes особенно привлекательными для различных применений, включая хранение и преобразование энергии, сенсоры и, в первую очередь, катализ.
Однако ахиллесова пята препятствует применению MXenes в качестве катализатора: поверхностное окончание. MXены образуются самопроизвольно при травлении слоистых предшественников MAX-фазы в водных растворах фторидов. В процессе травления на поверхностях MXenes остаются остаточные функциональные группы, такие как –OH, –F и –O. Исследователи продемонстрировали, что эти терминации значительно ухудшают каталитическую активность MXenes, блокируя активные центры, изменяя структуру электронных зон и повышая реакционные барьеры.
Скачок вперед: от MAX к MXene и к MX
Эволюция от фаз MAX к MXenes и далее к MXeneм без терминации (называемым MX) является ключевым направлением текущих исследований. Удаление поверхностных обрывов для создания «голого» или не имеющего обрывов MXene (MX) радикально повышает прогнозируемые каталитические характеристики. Голые поверхности MX изобилуют полностью обнаженными ненасыщенными активными металлическими центрами, готовыми к взаимодействию с адсорбатами. MX также демонстрирует металлическую проводимость и термическую стабильность до 500 °C, что является идеальными свойствами для высокотемпературного газофазного катализа. Моделирование из первых принципов показывает, что MX сильно хемосорбирует промежуточные продукты и переходные состояния в реакциях, включая CO.2 гидрирование, водогазовая конверсия и синтез аммиака. Исследование, проведенное в начале 2021 года, экспериментально подтвердило наличие голого Мо.2C Превосходный CO от MXene2 Кинетика гидрирования на Mo2CTx MXene, покрытом терминальными группами. Тем не менее, отсутствие масштабируемых протоколов синтеза и опасения по поводу водной стабильности MX препятствовали дальнейшим исследованиям катализа. В перспективном документе доказывается, что эти препятствия преодолимы. Поверхностные окончания MXenes десорбируются при температуре выше 400 °C, что позволяет предположить возможность образования MX при высоких температурах. MX также должен оставаться стабильным для газофазных реакций, таких как CO.2 гидрирование. Авторы утверждают, что перспективы MX в гетерогенном катализе блестящие, особенно по мере того, как исследования переходят от лабораторного синтеза к промышленному производству. Уникальные преимущества позволяют использовать MX для других применений, помимо катализа. В батареях чистый MXene сильно взаимодействует с полисульфидами по сравнению с функционализированным MXene, что обещает улучшение характеристик литий-серы. Кислотные металлические центры Льюиса также могут позволить MX электрохимически восстанавливать диазот до аммиака mieux mieux, чем электрокатализаторы MXene с блокировкой поверхности, оцененные до сих пор. Дальнейшая адаптация посредством композиционных модификаций, таких как высокоэнтропийное и одноатомное легирование, может обеспечить превосходные каталитические свойства. Синергетические эффекты нескольких металлов и деформация решетки в высокоэнтропийном MX могут снизить барьеры реакции и энергии связи. Закрепление отдельных атомов платины, рутения или иридия на MXenes также может привести к очень равномерному и максимальному распределению активных центров драгоценных металлов. Реализация этих концепций потребует сначала устранения насущных препятствий синтеза MX. Сопоставляя новые теоретические и экспериментальные данные, в обзоре приводятся убедительные аргументы в пользу неиспользованного потенциала голых MXenes в термическом катализе следующего поколения. Если удастся устранить ключевые узкие места, связанные с масштабированием производства, стабилизацией поверхности и реальными характеристиками, MXenes, наконец, смогут выполнить свое обещание в качестве широкодоступной высокоэффективной альтернативы катализаторам. Хотя предстоящий путь остается непростым, быстрый прогресс в исследованиях MXene за последнее десятилетие вселяет оптимизм в отношении того, что эти ультратонкие материалы могут стать катализатором революционных прорывов в химической промышленности.
By
Майкл
Бергер
- Майкл является автором трех книг Королевского химического общества:
Нано-общество: раздвигая границы технологий,
Нанотехнология: будущее крошечнои
Наноинженерия: навыки и инструменты, делающие технологию невидимой
Все права защищены ©
ООО «Нановерк»
Станьте приглашенным автором Spotlight! Присоединяйтесь к нашей большой и растущей группе приглашенные участники. Вы только что опубликовали научную статью или хотите поделиться другими интересными событиями с сообществом нанотехнологов? Вот как опубликовать на nanowerk.com.
- SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
- PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
- ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
- ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
- ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
- Источник: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64325.php
- :имеет
- :является
- :куда
- $UP
- 10
- 19
- 2021
- 2023
- 28
- 31
- 32
- 400
- 500
- 7
- 8
- 9
- a
- О нас
- выше
- ускоряющий
- через
- активный
- активно
- адресованный
- Принятие
- достижения
- Преимущества
- впереди
- позволять
- причислены
- альтернатива
- альтернативы
- аммоний
- an
- и
- Приложения
- МЫ
- спорить
- около
- гайд
- AS
- At
- атом
- атомное
- привлекательный
- автор
- Авторы
- доступен
- b
- ГРУППА
- барьеры
- батареи
- BE
- начал
- Бергер
- Лучшая
- Beyond
- переплет
- Черный
- пустой
- блокирование
- Книги
- узкие
- Границы
- прорывы
- Яркие
- строит
- by
- под названием
- CAN
- углерод
- случаев
- Катализатор
- катализаторы
- катализируют
- Центр
- вызов
- сложные
- химический
- Химические процессы
- химических веществ
- химия
- класс
- нажмите на
- сообщество
- сравненный
- сравнение
- неотразимый
- компонент
- понятия
- Обеспокоенность
- Условия
- проводимость
- ПОДТВЕРЖДЕНО
- продолжать
- Конверсия
- координация
- Цена
- может
- Создайте
- критической
- Текущий
- Время
- десятилетие
- убивают
- Производный
- определения
- события
- различный
- распределения
- кардинально
- два
- долговечность
- Рано
- эффекты
- Электронный
- элемент
- появившийся
- появление
- позволяет
- энергетика
- Усиливает
- увеличивать
- особенно
- к XNUMX году
- EV
- оценивается
- , поскольку большинство сенаторов
- эволюция
- захватывающий
- Экспонаты
- дорогим
- экспериментальный
- исследование
- исследует
- подвергаться
- факторы
- далеко
- выполнимый
- в заключение
- результаты
- Во-первых,
- Фокус
- фокусировка
- Что касается
- Передний край
- форма
- образование
- вперед
- от
- подпитывается
- топливо
- Выполнять
- полностью
- функциональная
- далее
- будущее
- GIF
- Глобальный
- великий
- группы
- Группы
- Рост
- GUEST
- Есть
- сильно
- High
- высокая производительность
- очень
- Как
- How To
- Однако
- HTTPS
- идеальный
- if
- изображение
- Влияние
- важную
- улучшенный
- in
- В том числе
- individual
- промышленность
- промышленность
- недорогой
- размышления
- окрыляет
- взаимодействовать
- взаимодействует
- интерес
- интригующий
- внутренний
- с участием
- присоединиться
- путешествие
- JPG
- всего
- Основные
- Отсутствие
- большой
- слоистый
- слоев
- Leap
- Льюис
- такое как
- недостатки
- линия
- локальным
- логотип
- ниже
- Большинство
- сделать
- ДЕЛАЕТ
- Создание
- рынок
- материалы
- Макс
- Май..
- металл
- Драгоценные металлы
- Майкл
- средняя
- изменения
- самых
- с разными
- MX
- имя
- нанотехнологии
- национальный
- Необходимость
- Тем не менее
- Новые
- следующее поколение
- благородный
- особенно
- многочисленный
- препятствиями
- of
- предлагающий
- on
- ONE
- оптимизм
- or
- Другое
- наши
- за
- бумага & картон
- особенно
- мимо
- путь
- производительность
- разрешение
- перспектива
- фармацевтическая
- фаза
- PHP
- платина
- Платон
- Платон Интеллектуальные данные
- ПлатонДанные
- Играть
- возможное
- потенциал
- Precious
- предсказанный
- разрабатывает
- Простое число
- процесс
- Процессы
- Производство
- Продукция
- Прогресс
- обещание
- многообещающий
- свойства
- перспектива
- протоколы
- публиковать
- опубликованный
- издатель
- Нажимать
- поиск
- привлечение
- быстро
- РЕДКИЙ
- Стоимость
- реакция
- реакции
- готовый
- реальный мир
- понимая,
- недавно
- уменьшить
- назвало
- оставаться
- остатки
- удаление
- представляет
- требовать
- исследованиям
- исследователи
- решения
- обзоре
- Богатые
- контрольно-пропускные пункты
- Роли
- королевский
- масштабируемые
- увеличить масштаб
- масштабирование
- научный
- Сектора юридического права
- датчик
- Поделиться
- сдвиг
- должен
- показывать
- значительный
- существенно
- аналогичный
- Сингапур
- одинарной
- сайте
- Сайтов
- навыки
- Общество
- Решения
- Прожектор
- Стабильность
- стабильный
- стоит
- Области
- диск
- сильно
- структурный
- Структура
- структур
- Кабинет
- топ
- поставка
- Поверхность
- синергистический
- синтез
- портняжное дело
- Технологии
- чем
- который
- Ассоциация
- Будущее
- их
- тогда
- теоретический
- тепловой
- Эти
- они
- этой
- хоть?
- три
- Через
- Таким образом
- Название
- в
- инструменты
- преобразований
- преобразующей
- переход
- переходы
- Триллион
- под
- созданного
- Университет
- неиспользованный
- Updates
- URL
- us
- ценный
- разнообразие
- Огромная
- Что
- когда
- который
- широко
- широко распространена
- будете
- X
- Уступать
- являетесь
- ВАШЕ
- зефирнет