Temiz ve daha sürdürülebilir teknolojiler arayan bilim insanları, yenilenebilir enerji sistemlerini dönüştürme potansiyeli taşıyan iki boyutlu malzemelere odaklanıyor. Bu çalışmalar, özellikle gübrelerin temel bileşenlerinden biri olan amonyak gibi temel bileşiklerin daha temiz ve verimli yöntemlerle üretilmesini mümkün kılabilir.
Bu umut verici malzemeler arasında, düşük boyutlu bileşiklerin yeni bir sınıfı olan MXene'ler öne çıkıyor. MXene'ler, havadaki elementleri amonyağa dönüştüren katalizör görevi görebilir ve bu işlem, hem tarım hem de ulaşım uygulamalarında enerji verimliliğini önemli ölçüde artırabilir.
MALZEME İNANCINI SORGULUYOR
American Chemical Society Dergisi'nde yayımlanan bu araştırma, kimya mühendisliği profesörleri Dr. Abdoulaye Djire ve Dr. Perla Balbuena ile doktora adayı Ray Yoo tarafından yürütüldü. Dr. Djire'nin ekibi, malzeme biliminde uzun süredir var olan bir inancı sorguluyor: geçiş metali bazlı malzemelerin performansının yalnızca kullanılan metale bağlı olduğu düşüncesi.
Dr. Djire, amaçlarının, malzemelerin elektro-katalitik koşullar altında katalizör olarak nasıl işlev gördüğüne dair anlayışı genişletmek olduğunu söyledi. Bu bilginin, bol miktarda bulunan kaynaklardan kimyasallar ve yakıtlar üretmek için ihtiyaç duyulan temel bileşenleri belirlemeye yardımcı olacağını ifade etti.
KİMYASAL YAPI HASSASİYETİ
MXene'lerin yapısı, nasıl davrandıklarında önemli bir rol oynuyor. Araştırmacılar, özellikle bir karbon atomunu bir azot atomuyla değiştirerek, kafes azot tepkimesini ayarlayarak, malzemenin titreşim özelliklerini değiştirebileceklerini buldular.
Doktora adayı Yoo'ya göre, MXene'leri hassas bir şekilde ayarlayabilme yeteneği, onları yenilenebilir enerjide hedefli kullanımlar için son derece uyarlanabilir kılıyor. Yoo, özelleştirilebilir yapıları sayesinde MXene'lerin, genellikle pahalı ve daha az verimli olan mevcut elektrokatalizör malzemelerinin yerini alabilecek güçlü bir rakip konumuna geldiğini belirtti. Yoo, nitrür MXene'lerin, yaygın olarak incelenen karbür muadillerine kıyasla elektrokatalizde önemli bir rol oynadığını ve performanslarındaki iyileşmelerle umut verici bir potansiyele sahip olduklarını ifade etti.
ATOM DÜZEYİNDE ANLAMA
Çalışma, temel prensiplere dayalı hesaplamalı analizlerle tamamlandı ve moleküllerin amonyak sentezi bağlamındaki etkileşimleri nicelleştirildi. Araştırmacılar, kimyasal yapı hakkında detaylı bilgi sağlayan tahribatsız bir teknik olan Raman spektroskopisini kullanarak titanyum nitrürün titreşim özelliklerini araştırdılar. Yoo, Raman spektroskopisinin kafes azotu reaktivitesini ortaya çıkarma yeteneğinin, MXene'leri içeren elektrokatalitik sisteme dair anlayışı yeniden şekillendiren en önemli kısımlardan biri olduğunu belirtti.
Dr. Djire, elektrokimyasal amonyak sentezinin, kafes azotunun protonlanması ve yenilenmesi yoluyla gerçekleştirilebileceğini gösterdiklerini dile getirdi. Projenin nihai amacının, bir malzemenin yapısını oluşturan atomların oynadığı rolü atom düzeyinde anlamak olduğunu sözlerine ekledi.
