Cientistas estão trabalhando para tornar as tecnologias renováveis mais eficientes, estudando materiais ultra-finos conhecidos como materiais bidimensionais (2D). Esses materiais podem abrir novos caminhos para a produção de produtos químicos essenciais, como a amônia, um ingrediente chave em fertilizantes, através de métodos mais limpos e sustentáveis.
Entre esses materiais, uma família chamada MXenes se destaca. Os MXenes são compostos de baixa dimensionalidade capazes de converter componentes do ar em amônia que pode ser usada em fertilizantes e combustíveis de transporte. Sua química única permite que os cientistas ajustem sua composição, proporcionando controle preciso sobre suas propriedades e desempenho.
Essa pesquisa foi detalhada na Journal of the American Chemical Society pelos professores de engenharia química Drs. Abdoulaye Djire e Perla Balbuena, juntamente com o candidato a Ph.D. Ray Yoo.
Repensando o Design de Catalisadores
Djire e sua equipe estão desafiando crenças há muito estabelecidas sobre como funcionam os materiais à base de metais de transição. Tradicionalmente, os cientistas acreditavam que a eficácia de um catalisador era determinada exclusivamente pelo tipo de metal que ele continha. O grupo de Djire busca expandir essa compreensão.
“Nosso objetivo é ampliar nossa compreensão de como os materiais funcionam como catalisadores em condições eletrocatalíticas,” disse Djire. “Em última análise, esse conhecimento pode nos ajudar a identificar os componentes-chave necessários para produzir químicos e combustíveis a partir de recursos abundantes na Terra.”
Ajustando Propriedades Atômicas para Melhor Desempenho
A estrutura dos MXenes pode ser ajustada modificando-se a interação dos átomos de nitrogênio dentro da rede. Essa mudança, conhecida como reatividade do nitrogênio na rede, influencia a maneira como as moléculas vibram, conhecida como suas propriedades vibracionais. Essas propriedades são críticas para determinar o quão efetivamente um material pode catalisar reações químicas.
Devido à capacidade de ajuste dos MXenes, eles podem ser otimizados para uma ampla variedade de aplicações de energia renovável. Yoo explicou que isso os torna alternativas promissoras para materiais eletrocatalisadores caros.
“Os MXenes são os candidatos ideais como materiais alternativos à base de metais de transição. Eles têm um potencial promissor devido às suas muitas qualidades desejáveis,” disse Yoo. “Os MXenes nitrídicos desempenham um papel importante na eletrocatalise, como mostrado por sua melhoria de desempenho em comparação com os amplamente estudados materiais à base de carboneto.”
Insights Computacionais e Interações Moleculares
Para aprofundar sua compreensão, o estudante de Ph.D. Hao-En Lai, do grupo da Dr. Balbuena, conduziu estudos computacionais para modelar como os MXenes se comportam em nível molecular. As simulações revelaram como solventes relevantes em energia interagem com as superfícies dos MXenes, 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 de Raman, um método não destrutivo que revela informações detalhadas sobre a estrutura e a ligação de um material.
“Acredito que uma das partes mais importantes desta pesquisa é a capacidade da espectroscopia de Raman de revelar a reatividade do nitrogênio na rede,” disse Yoo. “Isso reformula a compreensão do sistema eletrocatalítico envolvendo MXenes.”
Segundo Yoo, continuar explorando os MXenes nitrídicos e suas interações com solventes polares através da espectroscopia de Raman poderia resultar em grandes avanços na química verde.
Rumo ao Controle Átomo por Átomo da Conversão de Energia
“Demonstramos que a síntese eletroquímica de amônia pode ser alcançada através da protonação e reabastecimento do 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 de um material.”
Esta pesquisa recebeu apoio do U.S. Army DEVCOM ARL Army Research Office Energy Sciences Competency, Programa de Eletroquímica (prêmio # W911NF-24-1-0208). Os autores observaram que as opiniões e conclusões apresentadas são de sua própria responsabilidade e não refletem necessariamente as políticas oficiais do Exército dos EUA ou do Governo dos EUA.
