새로운 2D 소재로 공기를 연료와 비료로 변환

이러한 물질 중에서 MXenes라는 계열이 눈에 띕니다. MXene은 공기 중의 성분을 비료와 운송 연료에 사용할 수 있는 암모니아로 변환할 수 있는 저차원 화합물입니다. 이들의 독특한 화학적 특성을 통해 과학자들은 성분을 조정하고 특성과 성능을 정밀하게 제어할 수 있습니다.

이 연구는 미국 화학 학회지 화학 공학 교수 Drs. Abdoulaye Djire와 Perla Balbuena, Ph.D. 유 레이 후보.

촉매 설계 재고

Djire와 그의 팀은 전이 금속 기반 재료가 어떻게 기능하는지에 대한 오랜 믿음에 도전하고 있습니다. 전통적으로 과학자들은 촉매의 효과가 포함된 금속의 종류에 의해서만 결정된다고 믿었습니다. Djire 그룹은 그러한 이해를 확장하는 것을 목표로 합니다.

“우리는 전기촉매 조건에서 재료가 촉매로서 어떻게 기능하는지에 대한 이해를 넓히는 것을 목표로 합니다.”라고 Djire는 말했습니다. “궁극적으로 이 지식은 지구에 풍부한 자원에서 화학 물질과 연료를 생산하는 데 필요한 핵심 구성 요소를 식별하는 데 도움이 될 수 있습니다.”

더 나은 성능을 위한 원자 특성 조정

MXene의 구조는 격자 내에서 질소 원자가 상호 작용하는 방식을 수정하여 조정할 수 있습니다. 격자 질소 반응성으로 알려진 이러한 변화는 진동 특성으로 알려진 분자의 진동 방식에 영향을 미칩니다. 이러한 특성은 재료가 화학 반응을 얼마나 효과적으로 촉매할 수 있는지 결정하는 데 중요합니다.

MXene은 미세 조정이 가능하므로 다양한 재생 에너지 응용 분야에 맞게 최적화될 수 있습니다. 유씨는 이것이 값비싼 전기촉매 재료에 대한 유망한 대안이 된다고 설명했다.

“MXenes는 전이 금속 기반 대체 재료로서 이상적인 후보입니다. 이는 많은 바람직한 특성으로 인해 유망한 잠재력을 가지고 있습니다.”라고 유 교수는 말했습니다. “질화물 MXene은 널리 연구된 탄화물 대응물에 비해 성능 향상을 통해 알 수 있듯이 전기촉매에서 중요한 역할을 합니다.”

계산적 통찰력과 분자 상호작용

이해를 깊게하기 위해 Ph.D. Balbuena 박사 그룹의 Hao-En Lai 학생은 MXene이 분자 수준에서 어떻게 행동하는지 모델링하기 위해 컴퓨터 연구를 수행했습니다. 시뮬레이션을 통해 에너지 관련 용매가 MXene 표면과 어떻게 상호 작용하는지 밝혀 연구자들이 암모니아 합성에 중요한 분자 상호 작용을 정량화하는 데 도움이 되었습니다.

Djire, Yu 및 공동 연구자들은 재료의 구조와 결합에 대한 자세한 정보를 밝히는 비파괴 방법인 라만 분광법을 사용하여 질화티타늄의 진동 거동을 분석했습니다.

유 교수는 “이 연구에서 가장 중요한 부분 중 하나는 격자 질소 반응성을 밝혀내는 라만 분광학의 능력이라고 생각한다”고 말했다. “이것은 MXene과 관련된 전기촉매 시스템에 대한 이해를 재구성합니다.”

유 교수에 따르면, 라만 분광학을 통해 질화물 MXene과 극성 용매와의 상호 작용을 계속해서 탐구하면 녹색 화학 분야에서 큰 발전을 이룰 수 있다고 합니다.

에너지 변환의 원자별 제어를 향하여

Djire는 “우리는 양성자화와 격자 질소의 보충을 통해 전기화학적 암모니아 합성이 달성될 수 있음을 입증했습니다. “이 프로젝트의 궁극적인 목표는 물질의 구조를 구성하는 원자가 수행하는 역할에 대한 원자 수준의 이해를 얻는 것입니다.”

이 연구는 미 육군 DEVCOM ARL 육군 연구실 에너지 과학 역량, 전기화학 프로그램(수상 번호 W911NF-24-1-0208)의 지원을 받았습니다. 저자들은 제시된 의견과 결론이 그들 자신의 것이며 반드시 미군이나 미국 정부의 공식 정책을 반영하는 것은 아니라는 점을 지적했습니다.