Cientistas estão trabalhando para tornar as tecnologias renováveis mais eficientes ao estudar materiais ultra-finos conhecidos como materiais bidimensionais (2D). Esses materiais podem abrir novos caminhos para produzir substâncias químicas essenciais, como a amônia, um ingrediente chave nos fertilizantes, por 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 utilizada 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 no 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 de longa data sobre como os materiais à base de metais de transição funcionam. Tradicionalmente, os cientistas acreditavam que a eficácia de um catalisador era determinada apenas pelo tipo de metal que continha. O grupo de Djire tem como objetivo expandir essa compreensão.
“Nosso objetivo é ampliar nosso entendimento sobre como os materiais funcionam como catalisadores em condições eletroquímicas,” disse Djire. “Em última análise, esse conhecimento pode nos ajudar a identificar os componentes-chave necessários para produzir substâncias químicas e combustíveis a partir de recursos abundantes na Terra.”
Ajustando Propriedades Atômicas para Melhor Desempenho
A estrutura dos MXenes pode ser ajustada modificando como os átomos de nitrogênio interagem dentro da rede. Essa mudança, conhecida como reatividade do nitrogênio na rede, influencia a forma como as moléculas vibram, conhecidas como suas propriedades vibracionais. Essas propriedades são críticas para determinar quão efetivamente um material pode catalisar reações químicas.
Como os MXenes podem ser sutilmente ajustados, eles podem ser otimizados para uma ampla variedade de aplicações em energia renovável. Yoo explicou que isso os torna alternativas promissoras a 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 de nitreto desempenham um papel importante na eletrocatalise, como demonstrado por sua melhoria de desempenho em comparação com os amplamente estudados compósitos de carbide.”
Insights Computacionais e Interações Moleculares
Para aprofundar sua compreensão, o estudante de Ph.D. Hao-En Lai, do grupo da Dra. Balbuena, realizou estudos computacionais para modelar como os MXenes se comportam em nível molecular. As simulações revelaram como solventes relevantes para a energia interagem com as superfícies dos MXenes, ajudando os pesquisadores a quantificar interações moleculares importantes para a síntese de amônia.
Djire, Yoo e seus colaboradores também analisaram o comportamento vibracional do nitreto de titânio utilizando espectroscopia Raman, um método não destrutivo que revela informações detalhadas sobre a estrutura e as ligações de um material.
“Eu sinto que uma das partes mais importantes desta pesquisa é a capacidade da espectroscopia Raman de revelar a reatividade do nitrogênio na rede,” disse Yoo. “Isso remodela a compreensão do sistema eletrocatalítico envolvendo os MXenes.”
De acordo com Yoo, continuar explorando os MXenes de nitreto e suas interações com solventes polares através da espectroscopia Raman pode 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 reposição 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 suas e não refletem necessariamente as políticas oficiais do Exército dos EUA ou do governo dos EUA.
