新型二维材料将空气变为燃料和肥料

在这些材料中，一类名为MXenes的材料脱颖而出。MXenes是低维化合物，能够将空气中的成分转化为氨，而氨可用于制造肥料和交通燃料。其独特的化学性质使科学家能够调整它们的成分，从而精准控制其特性和性能。这项研究由化学工程教授Abdoulaye Djire博士、Perla Balbuena博士以及博士生Ray Yoo共同发表在《美国化学会志》上。

重新思考催化剂设计：Djire及其团队正在挑战关于过渡金属基材料作用机制的长期固有认知。传统上，科学家认为催化剂的效能仅由其含有的金属类型决定。Djire团队旨在拓展这一认知。Djire表示：“我们旨在加深对材料在电催化条件下如何发挥催化剂作用的理解。最终，这些知识可能帮助我们找到利用地球丰富资源生产化学品和燃料所需的关键成分。”

调整原子特性以提升性能：MXenes的结构可通过改变晶格中氮原子的相互作用来调整。这种变化被称为晶格氮反应性，它会影响分子的振动方式（即分子的振动特性）。这些特性对决定材料催化化学反应的效率至关重要。由于MXenes可以被精细调整，因此它们能针对多种可再生能源应用进行优化。Yoo解释说，这使它们成为昂贵电催化剂材料的潜在替代品。Yoo表示：“MXenes是过渡金属基替代材料的理想候选者。它们因其众多优良特性而具有巨大潜力。氮化物MXenes在电催化中发挥着重要作用，与广泛研究的碳化物同类材料相比，其性能有所提升。”

计算洞察与分子相互作用：为加深理解，Balbuena博士团队的博士生赖浩恩（Hao-En Lai）开展了计算研究，以模拟MXenes在分子层面的行为。这些模拟揭示了与能量相关的溶剂如何与MXene表面相互作用，帮助研究人员量化对氨合成至关重要的分子相互作用。Djire、Yoo及其合作者还使用拉曼光谱分析了氮化钛的振动行为。拉曼光谱是一种非破坏性方法，能揭示材料结构和化学键的详细信息。Yoo表示：“我认为这项研究最重要的部分之一是拉曼光谱能够揭示晶格氮反应性。这重塑了我们对涉及MXenes的电催化系统的理解。”Yoo认为，通过拉曼光谱继续探索氮化物MXenes及其与极性溶剂的相互作用，有望在绿色化学领域取得重大进展。

迈向能量转换的逐原子控制：Djire表示：“我们证明，通过晶格氮的质子化和补充可以实现电化学氨合成。该项目的最终目标是在原子层面理解构成材料结构的原子所发挥的作用。”

这项研究得到了美国陆军DEVCOM ARL陆军研究办公室能源科学能力电化学项目的支持（资助编号：W911NF-24-1-0208）。作者指出，文中的观点和结论仅代表他们个人，不一定反映美国陆军或美国政府的官方政策。