Os cientistas estão trabalhando para tornar as tecnologias renováveis mais eficientes, estudando materiais ultrafinos chamados materiais bidimensionais (2D). Estes materiais poderão abrir novas formas de produzir produtos químicos importantes, como o amoníaco, um ingrediente essencial nos fertilizantes, através de métodos mais limpos e sustentáveis.
Dentre esses materiais, destaca-se a família MXenes. MXenes são compostos de baixa dimensão que convertem componentes do ar em amônia que pode ser usada em fertilizantes e combustíveis para transporte. Suas propriedades químicas únicas permitem que os cientistas ajustem sua composição para controlar com precisão suas propriedades e desempenho.
Esta pesquisa está detalhada em Jornal da Sociedade Química Americana Pelo Professor de Engenharia Química Ph.D. Abdoulaye Djire e Perla Balbuena, bem como os Drs. Candidato Ray Yoo.
Repensando o design do catalisador
Djire e sua equipe estão desafiando crenças antigas sobre como funcionam os materiais de transição à base de metais. Tradicionalmente, os cientistas acreditavam que a eficácia de um catalisador dependia apenas do tipo de metal que continha. A equipe de De Geer pretende ampliar esse entendimento.
“Nosso objetivo é expandir nossa compreensão de como os materiais atuam como catalisadores sob condições eletrocatalíticas”, disse Djire. “Em última análise, este conhecimento pode ajudar-nos a identificar os principais ingredientes necessários para produzir produtos químicos e combustíveis a partir dos recursos abundantes da Terra.”
Ajuste as propriedades atômicas para melhor desempenho
A estrutura do MXene pode ser ajustada alterando a forma como os átomos de nitrogênio interagem dentro da rede cristalina. Essa mudança é chamada de reatividade da rede de nitrogênio e afeta a maneira como a molécula vibra – suas propriedades vibracionais. Essas propriedades são críticas para determinar a eficiência com que um material catalisa reações químicas.
Como o MXene pode ser ajustado, ele pode ser otimizado para uma variedade de aplicações de energia renovável. Yoo explica que isso os torna uma alternativa promissora aos caros materiais eletrocatalisadores.
“Os MXenes são candidatos ideais como materiais de substituição de metais de transição. Eles têm amplo potencial devido às suas muitas qualidades desejáveis”, disse Yoo. “Os Nitride MXenes desempenham um papel importante na eletrocatálise, conforme demonstrado pelo seu melhor desempenho em comparação com seus homólogos de metal duro extensivamente estudados.”
Insights computacionais e interações moleculares
Para aprofundar sua compreensão, o Dr. Hao-En Lai, aluno do grupo do Dr. Balbuena, conduziu estudos computacionais para simular o comportamento do MXene em nível molecular. As simulações revelaram como os solventes dependentes 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 detalhes sobre a estrutura e ligação do material.
“Acho que uma das partes mais importantes deste estudo é a capacidade da espectroscopia Raman de revelar a reatividade do nitrogênio na rede”, disse Yoo. “Isso remodela a compreensão dos sistemas eletrocatalíticos envolvendo o MXene.”
Yoo disse que a exploração contínua de MXenes de nitreto e suas interações com solventes polares através da espectroscopia Raman poderia levar a avanços significativos na química verde.
Habilitando o 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 atômico do papel desempenhado pelos átomos que constituem a estrutura dos materiais.”
Esta pesquisa foi apoiada pelo Departamento de Pesquisa do Exército dos EUA DEVCOM ARL, Capacidade Científica de Energia, Programa de Eletroquímica (Prêmio # W911NF-24-1-0208). Os autores observam que as opiniões e conclusões expressas são próprias e não refletem necessariamente a política oficial do Exército dos EUA ou do Governo dos EUA.
