28 dec 2023 (Nanowerk Spotlight) Billiga och jordnära alternativ till dyra ädelmetallkatalysatorer är fortfarande en stor utmaning i den kemiska industrins framkant. Katalysatorer spelar en oumbärlig roll i de allra flesta industriella kemiska processer genom att accelerera reaktionshastigheter och möjliggöra viktiga omvandlingar under genomförbara förhållanden.
Katalysatorerna med guldstandard – platina och andra sällsynta metaller från platinagruppen – fortsätter dock att begränsa utbredd användning och uppskalning inom nyckelsektorer som bränslen, bulkemikalier och läkemedel på grund av utbudsbegränsningar och orimliga kostnader. Detta ihållande behov har nyligen väckt stort intresse för en lovande ny klass av material som kallas MXenes.
Den här artikeln utforskar insikterna och rönen från ett perspektivpapper (Advanced Materials, "MAX, MXene eller MX: Vilka är de och vilken är bättre?") av forskare vid National University of Singapore, med fokus på framstegen inom MXenes och deras potentiella inverkan på katalys och energisektorer.
A) Schematisk illustration av strukturen från MAX till MXene, och sedan MX; B) Schematisk illustration av aktuella forskningstendenser i MXener från olika sammansättnings- och strukturella faktorer som bestämmer MXeners inneboende egenskaper; C) Lokal atomkoordination runt ytan Ti och schematisk över orbitaler för Ti−C3 i bar Ti3C2 och Ti−C3O3 oktaeder i Ti3C2O2. Den svarta streckade linjen vid 0 eV representerar EF; D) Schematisk illustration av jämförelsen av det ytaktiva stället i terminerad MXene och bar MX. (Återtryckt med tillstånd av Wiley-VCH Verlag) (klicka på bilden för att förstora)
MXenes resa började med att utforska deras potential som katalysatorer, en kritisk komponent i många industriella processer. Den globala kemikaliemarknaden, värderad till över 5 biljoner USD 2023, är starkt beroende av katalytiska processer, med uppskattningsvis 85 % av kemiska produkter som involverar katalys.
MXenes dök dock upp som ett lovande alternativ och erbjöd liknande katalytiska egenskaper som ädelmetaller. Denna klass av material, som härrör från etsningen av aluminiumskikt från MAX faser (där 'M' står för en övergångsmetall, 'A' för ett element som aluminium och 'X' för kol och/eller kväve), presenterar en spännande och avstämbar elektronisk struktur, rika ytaktiva platser och hög termisk hållbarhet. Dessa egenskaper gör MXenes särskilt attraktiva för en mängd olika applikationer, inklusive energilagring och omvandling, sensorer och framför allt katalys.
En akilleshäl har dock hindrat MXenes katalysapplikationer: ytavslutningar. MXener bildas spontant vid etsning av skiktade MAX-fasprekursorer i vattenhaltiga fluoridlösningar. Etsningsprocessen lämnar kvarvarande funktionella grupper som –OH, –F och –O avslutade på MXenes ytor. Forskare har visat att dessa avslutningar avsevärt försämrar MXenes katalytiska aktiviteter genom att blockera aktiva platser, ändra elektroniska bandstrukturer och höja reaktionsbarriärer.
Språnget framåt: Från MAX till MXene till MX
Utvecklingen från MAX-faser till MXenes, och vidare till avslutningsfria MXenes (kallas MX), är ett centralt fokus för aktuell forskning. Att ta bort ytavslutningar för att skapa "bar" eller avslutningsfri MXene (MX) förbättrar drastiskt den förutsedda katalytiska prestandan. Kala MX-ytor vimlar av helt exponerade, omättade aktiva metallställen redo att interagera med adsorbater. MX uppvisar också metallisk konduktivitet och termisk stabilitet upp till 500 °C, idealiska egenskaper för gasfaskatalys vid hög temperatur. Simuleringar av första principer visar att MX starkt kemisorberar mellanprodukter och övergångstillstånd i reaktioner inklusive CO2 hydrering, vatten-gasskifte och ammoniaksyntes. En studie i början av 2021 bekräftade experimentellt bar Mo2C MXenes överlägsna CO2 hydreringskinetik över termineringstäckt Mo2CTx MXene. Ändå har bristen på skalbara syntesprotokoll och oro för MX:s vattenhaltiga stabilitet hindrat ytterligare katalysforskning. Perspektivpapperet visar att dessa vägspärrar är överkomliga. MXenes ytavslutningar desorberar över 400 °C, vilket tyder på att MX-bildning vid hög temperatur är möjlig. MX bör också förbli stabil för gasfasreaktioner som CO2 hydrering. Författarna hävdar att MX:s framtidsutsikter inom heterogen katalys är ljusa, särskilt som forskning övergår från laboratorieskalasynteser till industrianpassad produktion. Unika fördelar primer MX för andra applikationer utöver katalys. I batterier interagerar bar MXene starkt med polysulfider jämfört med funktionaliserad MXene, vilket lovar förbättrad litium-svavelprestanda. Lewis-syrametallställen kan också tillåta MX att elektrokemiskt reducera dikväve till ammoniak mieux mieux än ytblockerade MXene-elektrokatalysatorer som hittills utvärderats. Ytterligare anpassning genom kompositionsmodifieringar som högentropi och enatomslegering kan framkalla överlägsna katalytiska egenskaper. Flera metallers synergistiska effekter och gitterspänning i högentropi MX kan sänka reaktionsbarriärer och bindningsenergier. Förankring av individuella platina-, rutenium- eller iridiumatomer på MXener kan på samma sätt ge mycket enhetliga, maximerade distributioner av ädelmetallaktiva platser. För att förverkliga dessa koncept kommer det att krävas att först lösa tjatande MX-synteshinder. Genom att sammanställa nya teoretiska och experimentella bevis bygger recensionen ett övertygande argument för nakna MXenes outnyttjade potential i nästa generations termisk katalys. Om viktiga flaskhalsar kring produktionsskalning, ytstabilisering och verkliga prestanda kan åtgärdas, kan MXenes äntligen uppfylla sitt löfte som allmänt tillgängliga, högpresterande katalysatoralternativ. Även om vägen framåt fortfarande är utmanande, inspirerar snabba framsteg inom MXene-forskning under det senaste decenniet optimism om att dessa ultratunna material kan katalysera transformativa genombrott inom den kemiska industrin.
– Michael är författare till tre böcker av Royal Society of Chemistry:
Nano-Society: Pushing the Boundsaries of Technology,
Nanoteknologi: Framtiden är litenoch
Nanoengineering: Färdigheterna och verktygen för att göra tekniken osynlig
Copyright ©
Nanowerk LLC
Bli en Spotlight-gästförfattare! Gå med i vår stora och växande grupp gäst bidragsgivare. Har du precis publicerat en vetenskaplig uppsats eller har någon annan spännande utveckling att dela med nanoteknologinsamhället? Så här publicerar du på nanowerk.com.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64325.php
- : har
- :är
- :var
- $UPP
- 10
- 19
- 2021
- 2023
- 28
- 31
- 32
- 400
- 500
- 7
- 8
- 9
- a
- Om oss
- ovan
- accelererande
- tvärs
- aktiv
- aktiviteter
- adresserad
- Antagande
- framsteg
- fördelar
- framåt
- tillåter
- också
- alternativ
- alternativ
- Ammoniak/ammonium
- an
- och
- tillämpningar
- ÄR
- argumenterar
- runt
- Artikeln
- AS
- At
- atomen
- atom
- attraktiv
- Författaren
- Författarna
- tillgänglig
- b
- BAND
- barriärer
- batterier
- BE
- började
- Berger
- Bättre
- Bortom
- bindande
- Svart
- blank
- blockering
- Böcker
- flaskhals
- gränser
- genombrott
- Bright
- bygger
- by
- kallas
- KAN
- kol
- Vid
- Katalysator
- katalysatorer
- katalyserar
- Centrum
- utmanar
- utmanande
- kemisk
- Kemiska processer
- kemikalier
- kemi
- klass
- klick
- samfundet
- jämfört
- jämförelse
- övertygande
- komponent
- Begreppen
- oro
- villkor
- konduktivitet
- BEKRÄFTAT
- fortsätta
- Konvertering
- samordning
- Pris
- kunde
- skapa
- kritisk
- Aktuella
- Datum
- årtionde
- demonstreras
- Härledd
- bestämmande
- utvecklingen
- olika
- Distributioner
- drastiskt
- grund
- hållbarhet
- Tidig
- effekter
- Elektronisk
- elementet
- dykt
- smärgel
- möjliggör
- energi
- Förbättrar
- förstora
- speciellt
- beräknad
- EV
- utvärderade
- bevis
- Utvecklingen
- spännande
- utställningar
- dyra
- experimentell
- utforskning
- utforskar
- utsatta
- faktorer
- långt
- möjlig
- Slutligen
- resultat
- Förnamn
- Fokus
- fokusering
- För
- förgrunden
- formen
- bildning
- Framåt
- från
- fueled
- bränslen
- Uppfylla
- fullständigt
- funktionella
- ytterligare
- framtida
- gif
- Välgörenhet
- stora
- Grupp
- Gruppens
- Odling
- Gäst
- Har
- kraftigt
- Hög
- högpresterande
- höggradigt
- Hur ser din drömresa ut
- How To
- Men
- HTTPS
- idealisk
- if
- bild
- Inverkan
- med Esport
- förbättras
- in
- Inklusive
- individuellt
- industriell
- industrin
- billigt
- insikter
- inspirerar
- interagera
- interagerar
- intresse
- fängslande
- inneboende
- involverar
- delta
- resa
- jpg
- bara
- Nyckel
- Brist
- Large
- skiktad
- skikt
- Språng
- Lewis
- tycka om
- begränsningar
- linje
- lokal
- logotyp
- lägre
- Majoritet
- göra
- GÖR
- Framställning
- marknad
- material
- max
- Maj..
- metall
- Metaller
- Michael
- Mitten
- modifieringar
- mest
- multipel
- MX
- namn
- nanoteknologi
- nationell
- Behöver
- Icke desto mindre
- Nya
- nästa generation
- Noble
- i synnerhet
- talrik
- hinder
- of
- erbjuda
- on
- ONE
- Optimism
- or
- Övriga
- vår
- över
- Papper
- särskilt
- Tidigare
- bana
- prestanda
- tillstånd
- perspektiv
- läkemedel
- fas
- PHP
- platina
- plato
- Platon Data Intelligence
- PlatonData
- Spela
- möjlig
- potentiell
- Dyrbar
- förutsagda
- presenterar
- Prime
- process
- processer
- Produktion
- Produkter
- Framsteg
- löfte
- lovande
- egenskaper
- utsikter
- protokoll
- publicera
- publicerade
- utgivare
- Tryckande
- quest
- höja
- snabb
- SÄLLSYNT
- rates
- Reaktionen
- reaktioner
- redo
- verkliga världen
- inse
- nyligen
- minska
- avses
- förblir
- resterna
- bort
- representerar
- kräver
- forskning
- forskare
- lösa
- översyn
- Rik
- spärrar
- Roll
- kungliga
- skalbar
- skala upp
- skalning
- vetenskaplig
- Sektorer
- sensor
- Dela
- skifta
- skall
- show
- signifikant
- signifikant
- liknande
- Singapore
- enda
- webbplats
- Områden
- färdigheter
- Samhället
- Lösningar
- Spotlight
- Stabilitet
- stabil
- står
- Stater
- förvaring
- starkt
- strukturell
- struktur
- strukturer
- Läsa på
- överlägsen
- leverera
- yta
- synergistisk
- syntes
- skrädderi
- Teknologi
- än
- den där
- Smakämnen
- Framtiden
- deras
- sedan
- teoretiska
- termisk
- Dessa
- de
- detta
- fastän?
- tre
- Genom
- Således
- Titel
- till
- verktyg
- transformationer
- transformativ
- övergång
- övergångar
- Biljon
- under
- unika
- universitet
- outnyttjad
- Uppdateringar
- URL
- us
- värderas
- mängd
- Omfattande
- Vad
- när
- som
- brett
- utbredd
- kommer
- med
- X
- Avkastning
- dig
- Din
- zephyrnet