Ερευνητές του Texas A&M University παρουσίασαν μια ανακάλυψη που θα μπορούσε να φέρει επανάσταση στην παραγωγή καθαρής ενέργειας και λιπασμάτων: τα λεγόμενα MXenes, μια κατηγορία δισδιάστατων (2D) υλικών που υπόσχονται να μετατρέπουν τον αέρα σε αμμωνία, δηλαδή σε καύσιμο και λίπασμα ταυτόχρονα.
Η μελέτη περιγράφει πώς οι επιστήμονες κατάφεραν να «πειράξουν» τη δομή αυτών των υλικών σε ατομικό επίπεδο, επιτρέποντας τον έλεγχο της χημικής τους συμπεριφοράς. Με άλλα λόγια, τα MXenes μπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να λειτουργούν σαν φθηνοί, εξαιρετικά αποδοτικοί καταλύτες για την παραγωγή καθαρής αμμωνίας — χωρίς την ανάγκη για πολύπλοκες, ενεργοβόρες βιομηχανικές διεργασίες.
Τα MXenes ανήκουν σε μια νέα γενιά εξαιρετικά λεπτών υλικών, τόσο λεπτών που αποτελούνται από μόλις λίγα στρώματα ατόμων. Οι ερευνητές τα περιγράφουν ως «χημικά προσαρμόσιμες πλατφόρμες», ικανές να μετατρέπουν τα συστατικά του αέρα, όπως το άζωτο, σε αμμωνία, ένα μόριο ζωτικής σημασίας για τη γεωργία αλλά και για την παραγωγή συνθετικών καυσίμων.
Η αμμωνία, πέρα από το ότι αποτελεί το θεμέλιο των σύγχρονων λιπασμάτων, θεωρείται και υποψήφιο καύσιμο του μέλλοντος, μια ουσία που μπορεί να αποθηκεύει και να μεταφέρει ενέργεια χωρίς να παράγει διοξείδιο του άνθρακα. Όμως η παραγωγή της σήμερα βασίζεται σε ενεργοβόρες διεργασίες που καταναλώνουν τεράστιες ποσότητες φυσικού αερίου. Εδώ ακριβώς έρχονται τα MXenes: θα μπορούσαν να επιτρέψουν τη σύνθεση αμμωνίας σε χαμηλές θερμοκρασίες, χρησιμοποιώντας μόνο ηλεκτρική ενέργεια και αέρα.
Ο καθηγητής Abdoulaye Djire, επικεφαλής της μελέτης, επισημαίνει ότι η ερευνητική ομάδα θέλει να αμφισβητήσει την παραδοσιακή αντίληψη για το πώς λειτουργούν τα μεταλλικά υλικά ως καταλύτες.
Μέχρι τώρα θεωρούσαμε πως η αποτελεσματικότητα ενός καταλύτη εξαρτάται αποκλειστικά από το μέταλλο που περιέχει. Εμείς θέλουμε να κατανοήσουμε τι πραγματικά συμβαίνει σε ατομικό επίπεδο, ώστε να αξιοποιήσουμε υλικά που υπάρχουν άφθονα στη Γη για την παραγωγή καυσίμων και χημικών.
Τα MXenes φαίνεται να προσφέρουν αυτό ακριβώς: μια δομή που μπορεί να τροποποιηθεί με ακρίβεια, αλλάζοντας τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα του αζώτου «δένουν» μέσα στο πλέγμα τους. Αυτή η τροποποίηση επηρεάζει τις δονήσεις των μορίων που καθορίζουν το πόσο αποτελεσματικά ένα υλικό μπορεί να επιταχύνει μια χημική αντίδραση.
Ο υποψήφιος διδάκτορας Ray Yoo τονίζει ότι αυτό το επίπεδο ελέγχου ανοίγει νέους δρόμους.
Τα MXenes είναι εξαιρετικά υποσχόμενα ως εναλλακτικά υλικά για καταλύτες βασισμένους σε μέταλλα μετάπτωσης. Ειδικά οι νιτριδικές εκδοχές τους (nitride MXenes) δείχνουν καλύτερες επιδόσεις σε σχέση με τα περισσότερο γνωστά καρβιδικά τους ανάλογα.
Η δυνατότητα να ρυθμίζονται οι ιδιότητές τους τα καθιστά ιδανικά για πολλές εφαρμογές ανανεώσιμης ενέργειας, από την ηλεκτροχημική παραγωγή καυσίμων έως την αποθήκευση ενέργειας. Και όλα αυτά χωρίς να χρειάζονται σπάνια ή ακριβά μέταλλα, όπως συμβαίνει με τους περισσότερους συμβατικούς καταλύτες.
Για να κατανοήσουν καλύτερα τη συμπεριφορά των MXenes, η ομάδα πραγματοποίησε προσομοιώσεις σε υπολογιστή, με επικεφαλής τον φοιτητή Hao-En Lai από το εργαστήριο της καθηγήτριας Perla Balbuena. Οι υπολογισμοί έδειξαν πώς τα μόρια των διαλυτών που σχετίζονται με την παραγωγή ενέργειας αλληλεπιδρούν με τις επιφάνειες των MXenes, βοηθώντας τους ερευνητές να ποσοτικοποιήσουν κρίσιμες μοριακές αλληλεπιδράσεις που καθορίζουν την απόδοση της ηλεκτροχημικής σύνθεσης αμμωνίας.
Παράλληλα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φασματοσκοπία Raman, μια μη καταστροφική τεχνική που «διαβάζει» τις δονήσεις των μορίων, για να εξετάσουν το πώς το άζωτο ενσωματώνεται στη δομή του τιτανίου νιτριδίου. Αυτή η ανάλυση αποκάλυψε πολύτιμες πληροφορίες για το πώς τα άτομα αλληλεπιδρούν και μεταφέρουν ενέργεια μέσα στο πλέγμα.
Η φασματοσκοπία Raman μάς επέτρεψε να δούμε στην πράξη πώς “αναπνέει” το πλέγμα των MXenes. Αυτή η κατανόηση αλλάζει εντελώς την εικόνα που έχουμε για το πώς λειτουργούν αυτά τα ηλεκτροκαταλυτικά συστήματα.
Το όραμα του Djire είναι σαφές: πλήρης κατανόηση του πώς κάθε άτομο συμβάλλει στη μετατροπή της ενέργειας.
Δείχνουμε ότι η ηλεκτροχημική σύνθεση αμμωνίας μπορεί να επιτευχθεί μέσω μιας διαδικασίας πρωτονίωσης και αναπλήρωσης του αζώτου μέσα στο πλέγμα. Στόχος μας είναι να αποκτήσουμε μια ατομική κατανόηση του ρόλου που παίζει κάθε στοιχείο στη δομή του υλικού.
Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από το U.S. Army DEVCOM ARL Army Research Office Energy Sciences Competency, στο πλαίσιο του προγράμματος Electrochemistry. Οι ερευνητές διευκρίνισαν ότι τα συμπεράσματά τους δεν αντικατοπτρίζουν απαραίτητα τις απόψεις του αμερικανικού στρατού ή της κυβέρνησης, όμως η προοπτική είναι ξεκάθαρη: τα MXenes θα μπορούσαν να γίνουν η βάση για μια νέα εποχή καθαρής χημείας.
[source]
