Команда инженеров-химиков из Техасского университета A&M изучает так называемые двухмерные материалы, или 2D-материалы, которые способны преобразовывать простые вещества из воздуха в аммиак — одно из ключевых соединений для сельского хозяйства и энергетики.
Особое внимание ученые уделили семейству веществ под названием максены (MXenes) — это соединения на основе переходных металлов, обладающие уникальной структурой и высокой каталитической активностью. Их можно настраивать буквально на атомном уровне, изменяя состав и свойства решетки. Такая «тонкая настройка» позволяет управлять химическими реакциями с беспрецедентной точностью. «Мы стремимся расширить понимание того, как материалы работают как катализаторы в электрокаталитических условиях. Это поможет определить, из каких недефицитных ресурсов можно синтезировать нужные химические вещества для производства удобрений и топлива», — объясняет руководитель работы доктор Абдулай Джире.
Сейчас аммиак чаще всего получают в промышленных масштабах методом Габера-Боша — энергоемким процессом, который требует высоких температур, давления и больших затрат природного газа. Использование максенов могло бы сделать синтез аммиака более устойчивым и безопасным для экологии, ведь реакция в новых системах проходит при низких температурах и с минимальным потреблением энергии.
По словам соавтора исследования, аспиранта Рэя Ю, максены открывают новую страницу в химии переходных металлов. «Мы обнаружили, что инновационные нитридные максены показывают лучшие результаты, чем широко изученные карбидные аналоги. Они выдают более высокую производительность и стабильность в электрокатализе», — отмечает ученый.
Чтобы понять, как эти материалы ведут себя на уровне отдельных атомов, специалисты совместили компьютерное моделирование с реальными экспериментами. С помощью рамановской спектроскопии они наблюдают колебательные движения атомов в решетке нитрида титана — процесса, от которого зависит скорость и эффективность реакций. Анализ показал, что в ходе электрокатализа атомы азота в кристаллической решетке способны связывать протоны, а затем восстанавливаться, что и обеспечивает превращение компонентов воздуха в аммиак.
«Наша цель — понять роль каждого атома в этой цепочке и научиться управлять реакцией на самом фундаментальном уровне», — подчеркивает Джире. В перспективе такие разработки могут стать основой для создания принципиально новых источников энергии и химических технологий, в которых синтез необходимых веществ — от удобрений до топлива — станет не только эффективным, но и практически безуглеродным.
Ранее ученые изготовили мясо будущего с необычным составом.
