Los científicos están trabajando para hacer que las tecnologías renovables sean más eficientes mediante el estudio de materiales ultrafinos conocidos como materiales bidimensionales (2D). Estos materiales podrían abrir nuevas vías para la producción de sustancias químicas esenciales como el amoníaco, un ingrediente clave en los fertilizantes, mediante métodos más limpios y sostenibles.
Entre estos materiales destaca una familia denominada MXenes. Los MXenos son compuestos de baja dimensión capaces de convertir elementos del aire en amoníaco que puede usarse como fertilizante y combustible para el transporte. Su química única permite a los científicos ajustar su estructura, proporcionando un control preciso sobre sus propiedades y rendimiento.
Este estudio fue detallado Revista de la Sociedad Química Estadounidense Profesor de ingeniería química. Con Abdoulaye Dzire y Perla Balbuena, Ph.D. El candidato Ray Yew.
Repensar el diseño de catalizadores
Digir y su equipo están desafiando creencias arraigadas sobre cómo funcionan los materiales a base de metales de transición. Tradicionalmente, los científicos creían que la eficacia de un catalizador estaba determinada únicamente por el tipo de metal que contenía. El grupo de DG pretende ampliar ese conocimiento.
“Nuestro objetivo es ampliar nuestra comprensión de cómo se comportan los materiales como catalizadores en condiciones electrocatalíticas”, dice Dzire. “En última instancia, este conocimiento puede ayudarnos a identificar los elementos clave necesarios para producir productos químicos y combustibles a partir de recursos abundantes en la Tierra”.
Ajuste de propiedades atómicas para mejorar el rendimiento
La estructura de los MXenes se puede ajustar modificando la forma en que interactúan los átomos de nitrógeno dentro de la red. Este cambio, conocido como reacción reticular del nitrógeno, afecta la forma en que vibran las moléculas, conocida como sus propiedades vibratorias. Estas propiedades son importantes para determinar la eficacia con la que un material puede catalizar una reacción química.
Debido a que los MXenes se pueden ajustar, se pueden optimizar para una variedad de aplicaciones de energía renovable. Yu explicó que esto los convierte en alternativas prometedoras a los costosos materiales electrocatalizadores.
“Los MXenes son candidatos ideales como materiales alternativos basados en metales de transición. Tienen un potencial prometedor debido a sus muchas propiedades deseables”, afirmó Yu. “Los nitruros MXenes desempeñan un papel importante en la electrocatálisis, como lo demuestra su mejora en el rendimiento en comparación con sus homólogos de carburo ampliamente estudiados”.
Conocimientos computacionales e interacciones moleculares
Para profundizar su comprensión, Ph.D. El estudiante del grupo del Dr. Balbuena, Hao-En Lai, realizó estudios computacionales para modelar cómo se comportan los MXenes a nivel molecular. Las simulaciones revelan cómo los disolventes energéticamente relevantes interactúan con la superficie MXene, lo que ayuda a los investigadores a cuantificar las interacciones moleculares importantes para la síntesis de amoníaco.
Djire, Yoo y sus colegas también analizaron el comportamiento vibratorio del nitruro de titanio utilizando espectroscopía Raman, un método no destructivo que revela información detallada sobre la estructura y la unión de un material.
“Creo que una de las partes más importantes de esta investigación es la capacidad de la espectroscopia Raman para revelar reacciones reticulares del nitrógeno”, dijo Yu. “Esto remodela la comprensión de los sistemas electrocatalíticos que involucran MXenes”.
Según Yu, continuar explorando los nitruros MXenes y sus interacciones con disolventes polares mediante espectroscopía Raman podría aportar importantes avances en la química verde.
Hacia el control átomo por átomo de la conversión de energía
“Demostramos que la síntesis electroquímica de amoníaco se puede lograr mediante la protonación y la reposición de nitrógeno de la red”, dijo Dzire. “El objetivo final de este proyecto es lograr una comprensión a nivel atómico del papel que desempeñan los átomos que forman la estructura de un material”.
Esta investigación fue apoyada por el Programa de Electroquímica, Competencia en Ciencias Energéticas de la Oficina de Investigación del Ejército DEVCOM ARL del Ejército de EE. UU. (Premio # W911NF-24-1-0208). Los autores señalan que las opiniones y conclusiones presentadas son propias y no reflejan necesariamente las políticas oficiales del ejército o del gobierno de los EE. UU.
