Entre esses materiais, uma família chamada MXenes se destaca. Os MXenes são compostos de baixa dimensão 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.

Esta 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 enraizadas 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 continha. O grupo de Djire busca expandir essa compreensão.

“Nós pretendemos 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 químicos e combustíveis a partir de recursos abundantes na Terra.”

Ajustando Propriedades Atômicas para Melhor Desempenho

A estrutura dos MXenes pode ser ajustada modificando a forma como os átomos de nitrogênio interagem 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 a eficácia de um material em catalisar reações químicas.

Uma vez que os MXenes podem ser afinados, eles podem ser otimizados para uma ampla variedade de aplicações em energia renovável. Yoo explicou que isso os torna alternativas promissoras para materiais de eletrocatalizador 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 nitríricos desempenham um papel importante na eletrocatálise, conforme mostrado por sua melhoria no desempenho em comparação com seus equivalentes de carboneto amplamente estudados.”

Insights Computacionais e Interações Moleculares

Para aprofundar seu entendimento, o estudante de Ph.D. Hao-En Lai, do grupo da Dra. Balbuena, conduziu estudos computacionais para modelar como os MXenes se comportam em nível molecular. As simulações revelaram como solventes relevantes em termos de 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 usando espectroscopia 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 Raman de revelar a reatividade do nitrogênio na rede,” disse Yoo. “Isso remodela a compreensão do sistema eletrocatalítico envolvendo MXenes.”

Segundo Yoo, continuar a explorar os MXenes nitríricos 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,” afirmou 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, Electrochemistry Program (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.