空気を燃料と肥料に同時に変える二次元素材

彼の研究者 テキサス A&M 大学 クリーンエネルギーと肥料の生産に革命をもたらす可能性のある発見を発表しました。 MXenes、次のことを約束する二次元 (2D) マテリアルのクラスです。 空気をアンモニアに変換しますつまり、燃料と肥料を同時に使用します。

研究では、どのようにして 科学者 彼らはこれらの材料の構造を原子レベルで「微調整」することに成功し、化学的挙動を制御できるようになりました。言い換えれば、 MXenes 複雑でエネルギー集約的な工業プロセスを必要とせずに、純粋なアンモニアを生成するための安価で高効率な触媒として機能するように設計できます。

の MXenes それらは新世代の極薄材料に属し、非常に薄いので数層の原子で構成されています。研究者らは、窒素などの空気成分を、農業や合成燃料の生産に不可欠な分子であるアンモニアに変換できる、それらを「化学的にカスタマイズ可能なプラットフォーム」と説明している。

または アンモニア、現代の肥料の基礎であることに加えて、二酸化炭素を生成せずにエネルギーを貯蔵および輸送できる物質である将来の燃料の候補とも考えられています。しかし、今日のその生産は、大量の天然ガスを消費するエネルギー集約的なプロセスに基づいています。まさにここが彼らの出番です MXenes: 電気と空気のみを使用して、低温でアンモニアを合成できる可能性があります。

教授 アブドゥライ・ジレ研究を主導した同氏は、研究チームは金属材料が触媒としてどのように機能するかについての従来の理解に挑戦したいと考えていると指摘した。

これまで、触媒の有効性は触媒に含まれる金属のみに依存すると考えてきました。私たちは、地球上に豊富にある物質を利用して燃料や化学物質を生産できるように、実際に何が起こっているのかを原子レベルで理解したいと考えています。

の MXenes それは、窒素原子が格子内で「結合」する方法を変えることによって正確に微調整できる構造だ。この変更は、材料が化学反応をどれだけ効果的に加速できるかを決定する分子の振動に影響を与えます。

博士号候補者 レイ・ユー は、このレベルの制御が新境地を開拓することを強調しています。

MXenes は、遷移金属ベースの触媒の代替材料として非常に有望です。特に、窒化物バージョン (窒化物 MXene) は、よく知られている炭化物の類似物と比較して優れた性能を示します。

特性を調整できるため、電気化学燃料生成からエネルギー貯蔵まで、多くの再生可能エネルギー用途に最適です。そして、これらすべては、ほとんどの従来の触媒の場合のように、希少金属や高価な金属を必要とせずに行われます。

彼らの行動をより深く理解するために MXenes、チームは学生が主導してコンピューターシミュレーションを実行しました ハオ・エン・ライ ペルラ・バルブエナ教授の研究室から。計算では、エネルギー生成に関連する溶媒の分子がどのように表面と相互作用するかを示しました。 MXenes、電気化学的アンモニア合成のパフォーマンスを決定する重要な分子相互作用を研究者が定量化するのに役立ちます。

同時に研究者らは、 ラマン分光法、分子の振動を「読み取る」非破壊技術で、窒素が窒化チタン構造にどのように組み込まれるかを調べることができます。この分析により、原子が格子内でどのように相互作用し、エネルギーを伝達するかについての貴重な洞察が明らかになりました。

ラマン分光法により、MXene の格子がどのように「呼吸」するかを実際に観察することができました。この理解は、これらの電極触媒システムがどのように機能するかについて私たちが持っているイメージを完全に変えます。

彼のビジョン ジレ は明確です。各個人がエネルギー変換にどのように貢献するかを完全に理解しています。

我々は、アンモニアの電気化学的合成が、プロトン化と格子内での窒素の補充のプロセスを通じて達成できることを示す。私たちの目標は、材料構造において各元素が果たす役割を個別に理解することです。

この研究は、電気化学プログラムに基づき、米陸軍 DEVCOM ARL 陸軍研究局エネルギー科学コンピテンシーから資金提供を受けました。研究者らは、自分たちの調査結果が必ずしも米軍や政府の見解を反映しているわけではないことを明らかにしたが、その見解は明らかである。 MXenes は純粋化学の新時代の基礎となる可能性がある。

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