توسط : تیمی از پژوهشگران در مطالعه جدیدی بررسی کرده‌اند که چگونه مواد دوبعدی به نام MXene می‌توانند آینده انرژی‌های تجدیدپذیر و تولید مواد شیمیایی پایدار را متحول کنند. به گفته دانشمندان، این مواد به‌دلیل انعطاف‌پذیری شیمیایی، قابلیت تنظیم ساختار در سطح اتمی و بازده بالای الکتروکاتالیزوری، می‌توانند جایگزین کاتالیزورهای گران‌قیمت فعلی شده و تحولی بنیادین در فناوری‌های انرژی پاک ایجاد کنند.
به گزارش scitechdaily، دانشمندانی که به‌دنبال فناوری‌های پاک‌تر و سازگارتر با محیط‌زیست هستند، اکنون توجه خود را به مواد دوبعدی معطوف کرده‌اند که قادرند سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر را دگرگون کنند. نتایج این پژوهش می‌تواند راه را برای تولید ترکیبات حیاتی مانند آمونیاک – که ماده‌ای کلیدی در ساخت کودهای شیمیایی است – از طریق روش‌هایی کارآمدتر و پاک‌تر هموار کند.
در میان این مواد نوظهور، MXeneها به‌عنوان یکی از امیدبخش‌ترین گروه‌های ترکیبات کم‌بعد شناخته می‌شوند. این مواد می‌توانند نقش کاتالیزور را در فرایند تبدیل عناصر موجود در هوا به آمونیاک ایفا کنند؛ فرایندی که می‌تواند بازده انرژی در بخش‌های کشاورزی و حمل‌ونقل را به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهد.
MXene؛ نسل تازه‌ای از مواد دوبعدی با قابلیت ترکیب شیمیایی قابل‌تنظیم
یکی از ویژگی‌های برجسته MXeneها ترکیب شیمیایی قابل‌تنظیم آن‌هاست. این خاصیت به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا با دقت، ساختار و عملکرد این مواد را برای کاربردهای گوناگون کنترل و بهینه‌سازی کنند.
تیم تحقیقاتی در این مطالعه، یکی از باورهای دیرینه در علم مواد را به چالش می‌کشد: اینکه عملکرد مواد مبتنی بر فلزات واسطه صرفاً به نوع فلز به‌کاررفته بستگی دارد. در مقابل، آن‌ها در پی درک عمیق‌تری از این هستند که چگونه عوامل ساختاری گوناگون می‌توانند بر عملکرد کاتالیزوری مواد تأثیر بگذارند.
درک عملکرد کاتالیزوری
محققان می‌گویند می‌گوید: «هدف ما گسترش درکمان از چگونگی عملکرد مواد به‌عنوان کاتالیزور در شرایط الکتروکاتالیزوری است. این دانش می‌تواند به ما کمک کند تا اجزای کلیدی موردنیاز برای تولید مواد شیمیایی و سوخت‌ها از منابع فراوان موجود در زمین را شناسایی کنیم.»
ساختار MXeneها نقشی اساسی در رفتار آن‌ها دارد. پژوهشگران دریافته‌اند که با تنظیم واکنش‌پذیری نیتروژن در شبکه بلوری – به‌ویژه از طریق جایگزینی یک اتم کربن با اتم نیتروژن – می‌توان ویژگی‌های ارتعاشی این مواد را تغییر داد. این ویژگی‌ها نحوه حرکت و ارتعاش مولکول‌ها را براساس انرژی درونی‌شان توصیف می‌کنند.
به گفته محققان، این قابلیت تنظیم دقیق در MXene آن‌ها را به موادی بسیار سازگار و قابل‌انطباق برای کاربردهای هدفمند در حوزه انرژی‌های تجدیدپذیر تبدیل می‌کند. به‌دلیل همین انعطاف‌پذیری، MXeneها به‌عنوان جایگزین‌های قدرتمند برای الکتروکاتالیزورهای فعلی که اغلب گران‌قیمت و کم‌بازده هستند، مطرح شده‌اند.
بینش‌های محاسباتی و تجربی
این پژوهش با انجام تحلیل‌های محاسباتی مبتنی بر اصول اولیه تکمیل شد. در این بخش، تغییرات در مدهای ارتعاشی سطح MXeneها در اثر تماس با حلال‌های مرتبط با انرژی بررسی شد. نتایج این تحلیل‌ها به پژوهشگران امکان داد تا برهم‌کنش مولکول‌ها با سطح مواد را، به‌ویژه در فرایند سنتز آمونیاک، به‌صورت کمی ارزیابی کنند.
در طول این پژوهش، محققان با استفاده از روش طیف‌سنجی رامان – یک روش تحلیل شیمیایی غیرمخرب که اطلاعات دقیقی از ساختار مولکولی ارائه می‌دهد – ویژگی‌های ارتعاشی ترکیب نیترید تیتانیوم را نیز مورد بررسی قرار دادند.
به گفته محققان: «یکی از مهم‌ترین بخش‌های این پژوهش، توانایی طیف‌سنجی رامان در آشکارسازی واکنش‌پذیری نیتروژن در شبکه بلوری است. این یافته، درک ما از سامانه‌های الکتروکاتالیزوری مبتنی بر MXeneها را دگرگون می‌کند.»
مطالعاتی که شامل شناسایی طیف‌سنجی رامان در ترکیب با نیترید MXeneها و حلال‌های قطبی باشد، می‌تواند به پیشرفت‌های علمی چشمگیری منجر شود.
محققان توضیح دادند: «ما نشان داده‌ایم که سنتز الکتروشیمیایی آمونیاک می‌تواند از طریق پروتونه‌سازی و بازسازی نیتروژن در شبکه بلوری انجام شود. هدف نهایی این پروژه، دستیابی به درکی در سطح اتمی از نقش اتم‌های سازنده ساختار مواد است.»
این پژوهش در مجله Journal of the American Chemical Society منتشر شده است.
ایران؛ سومین کشور صاحب فناوری نانو آجرهای نسوز نیروگاهی در جهان
