Novo material 2D transforma ar em combustível e fertilizante

Dentre esses materiais, destaca-se uma família chamada MXenes. MXenes são compostos de baixa dimensão capazes de converter componentes do ar em amônia que podem ser usados ​​em fertilizantes e combustíveis para transporte. A sua química única permite aos cientistas ajustar a sua composição, proporcionando um controlo preciso sobre as suas propriedades e desempenho.

Esta pesquisa foi detalhada no Jornal da Sociedade Química Americana pelos professores de engenharia química Drs. Abdoulaye Djire e Perla Balbuena, juntamente com Ph.D. candidato Ray Yoo.

Repensando o design do catalisador

Djire e sua equipe estão desafiando crenças de longa data sobre como funcionam os materiais de transição à base de metais. Tradicionalmente, os cientistas acreditavam que a eficácia de um catalisador era determinada unicamente pelo tipo de metal que continha. O grupo de Djire pretende ampliar esse entendimento.

“Nosso objetivo é expandir nossa compreensão de como os materiais funcionam como catalisadores sob condições eletrocatalíticas”, disse Djire. “Em última análise, este conhecimento pode ajudar-nos a identificar os principais componentes necessários para produzir produtos químicos e combustíveis a partir de recursos abundantes na Terra.”

Ajustando propriedades atômicas para melhor desempenho

A estrutura dos MXenes pode ser ajustada modificando a forma como os átomos de nitrogênio interagem dentro da rede. Esta mudança, conhecida como reatividade do nitrogênio na rede, influencia a forma como as moléculas vibram, conhecidas como suas propriedades vibracionais. Essas propriedades são críticas para determinar a eficácia com que um material pode catalisar reações químicas.

Como os MXenes podem ser ajustados, eles podem ser otimizados para uma ampla variedade de aplicações de energia renovável. Yoo explicou que isso os torna alternativas promissoras aos dispendiosos materiais eletrocatalisadores.

“Os MXenes são os candidatos ideais como materiais alternativos à base de metais de transição. Eles têm um potencial promissor devido às suas muitas qualidades desejáveis”, disse Yoo. “Os Nitride MXenes desempenham um papel importante na eletrocatálise, como demonstrado através de sua melhoria no desempenho em comparação com os análogos de metal duro amplamente estudados.”

Insights computacionais e interações moleculares

Para aprofundar sua compreensão, Ph.D. o aluno Hao-En Lai do grupo do Dr. Balbuena conduziu estudos computacionais para modelar como os MXenes se comportam no nível molecular. As simulações revelaram como os solventes relevantes em termos de energia interagem com as superfícies do MXene, ajudando os pesquisadores a quantificar as interações moleculares importantes para a síntese de amônia.

Djire, Yoo e seus colaboradores também analisaram o comportamento vibracional do nitreto de titânio usando espectroscopia Raman, um método não destrutivo que revela informações detalhadas sobre a estrutura e ligação de um material.

“Eu sinto que uma das partes mais importantes desta pesquisa é a capacidade da espectroscopia Raman de revelar a reatividade do nitrogênio na rede”, disse Yoo. “Isso remodela a compreensão do sistema eletrocatalítico envolvendo MXenes.”

De acordo com Yoo, continuar a explorar MXenes de nitreto e suas interações com solventes polares por meio da espectroscopia Raman poderia gerar grandes avanços na química verde.

Rumo ao controle átomo por átomo da conversão de energia

“Demonstramos que a síntese eletroquímica de amônia pode ser alcançada através da protonação e reposição de nitrogênio na rede”, disse Djire. “O objetivo final deste projeto é obter uma compreensão em nível atomístico do papel desempenhado pelos átomos que constituem a estrutura de um material.”

Esta pesquisa recebeu apoio do Departamento de Pesquisa do Exército dos EUA DEVCOM ARL Competência em Ciências de Energia, Programa de Eletroquímica (prêmio # W911NF-24-1-0208). Os autores observaram que as opiniões e conclusões apresentadas são próprias e não refletem necessariamente as políticas oficiais do Exército dos EUA ou do Governo dos EUA.