ام ایکسین ها و آینده سنتز آمونیاک با انرژی تجدیدپذیر

دانشمندان به کلاس شگفت‌آوری از ترکیبات دوبعدی — ام‌ایکسین‌ها — روی آورده‌اند تا نحوه تولید سوخت‌ها و مواد شیمیایی ضروری را بازاندیشی کنند. این مواد اتمی نازک، ساخته‌شده از کاربیدها و نیتریدهای فلزات واسطه، شیمی قابل تنظیم و عملکرد امیدوارکننده‌ای به‌عنوان الکتروکاتالیزور دارند که می‌تواند به تولید پاک‌تر آمونیاک و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر مؤثرتر منجر شود.

چرا ام‌ایکسین‌ها توجه پژوهشگران را جلب کرده‌اند

ام‌ایکسین‌ها مواد لایه‌ای و نازکی هستند که ترکیب‌شان تا سطح اتمی قابل تنظیم است. این انعطاف‌پذیری حیاتی است: با جابه‌جایی عناصر در شبکه بلوری — مانند جایگزینی نیتروژن به‌جای کربن — پژوهشگران می‌توانند واکنش‌پذیری سطحی، رفتار الکترونیکی و حالت‌های ارتعاشی را تغییر دهند. به‌صورت عملی، ام‌ایکسین‌ها را می‌توان طوری مهندسی کرد که واکنش‌های شیمیایی خاصی از جمله تبدیل الکتروشیمیایی نیتروژن جو به آمونیاک را تسهیل کنند.

تولید آمونیاک امروز انرژی‌بر است و متکی به فرآیند صدسالۀ هابر-بوش است که سوخت‌های فسیلی مصرف می‌کند و مقادیر زیادی CO2 منتشر می‌سازد. روش‌های الکتروکاتالیتیکی مبتنی بر برق تجدیدپذیر مسیر پاک‌تری نوید می‌دهند، اما به کاتالیست‌هایی نیاز دارند که کارا، بادوام و ارزان باشند. ام‌ایکسین‌ها، به‌ویژه انواع نیتریدی، به‌عنوان جایگزین‌های واقع‌پذیر برای کاتالیست‌های سنتی و گران‌قیمت مبتنی بر فلزات گران‌بها پدیدار شده‌اند.

ام‌ایکسین‌ها (در تصویر بالا) یک کلاس جدید از مواد دوبعدی هستند که از کاربیدها و نیتریدهای فلزات واسطه تشکیل شده و خواص الکتریکی و شیمیایی بسیار قابل تنظیمی دارند. سازگاری و پتانسیل قابل‌توجه آن‌ها در انرژی‌های تجدیدپذیر، کاتالیز و الکترونیک باعث شده بعضی دانشمندان آن‌ها را ماده‌ای شگفت‌انگیز بنامند. Credit: Dr. Abdoulaye Djire/Texas A&M University

تبدیل هوا به کود: وعدهٔ سنتز آمونیاک

آمونیاک در تولید کود نقش محوری دارد و همچنین حامل انرژی امیدوارکننده‌ای است. تیمی به سرپرستی دکترهای Abdoulaye Djire و Perla Balbuena در دانشگاه Texas A&M، همراه با دانشجوی دکترای Ray Yoo، در حال بررسی این هستند که چگونه ام‌ایکسین‌ها می‌توانند واکنش‌های کاهش الکتروشیمیایی نیتروژن (NRR) را کاتالیز کنند. کار آن‌ها که در Journal of the American Chemical Society منتشر شده نشان می‌دهد ام‌ایکسین‌های نیتریدی می‌توانند عملکرد الکتروکاتالیتیکی را به‌طور چشمگیری نسبت به همتایان کاربیدی بهبود بخشند.

نکته مهم در این بهبود، رفتار اتم‌های نیتروژن در شبکه بلوری است. با امکان پروتونه‌شدن و تجدید اتم‌های نیتروژن شبکه تحت شرایط الکتروشیمیایی، ام‌ایکسین‌ها می‌توانند به‌صورت پویا در مسیر واکنش شرکت کنند. این بدان معناست که ماده صرفاً سطحی منفعل نیست؛ ساختار اتمی آن می‌تواند به‌طور فعال در بستن و تبدیل مولکول‌های نیتروژن به آمونیاک مشارکت داشته باشد.

شواهد محاسباتی و طیف‌سنجی: درک مکانیزم

این تحقیق، مدل‌سازی محاسباتی از اصول اولیه را با طیف‌سنجی آزمایشگاهی ترکیب کرده است. Hao-En Lai، دانشجوی دکترای گروه دکتر Balbuena، از شبیه‌سازی‌های اتمی برای اندازه‌گیری نحوه تغییر حالت‌های ارتعاشی سطح ام‌ایکسین تحت تأثیر حلال‌ها و واسطه‌های واکنش استفاده کرد. این تغییرات مهم‌اند زیرا خواص ارتعاشی بر جذب و واکنش مولکول‌ها روی سطح تأثیر می‌گذارند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

تغییرات عمده در مشوق های فدرال انرژی پاک در آمریکا

در یک اقدام مهم، قانون‌گذاران جمهوری‌خواه با تصویب یک لایحه آشتی چرخه‌ای، بسیاری از بخش‌های قانون...

به‌صورت تجربی، گروه Djire ام‌ایکسین‌های نیترید تیتانیم را با استفاده از طیف‌سنجی رامان مورد بررسی قرار دادند؛ تکنیکی غیرمخرب که نشانه‌های ارتعاشی ماده را نقشه‌برداری می‌کند. طیف‌های رامان تغییراتی مرتبط با واکنش‌پذیری نیتروژن شبکه را نشان دادند و دستاویز طیف‌سنجی مستقیمی درباره مشارکت ام‌ایکسین‌ها در کاهش الکتروشیمیایی نیتروژن فراهم کردند.

"هدف ما فراتر رفتن از این تصور است که عملکرد کاتالیزور تنها به عنصر فلزی بستگی دارد،" دژیر توضیح داد. در عوض، تیم بر زمینهٔ ساختاری کامل — اتم‌های شبکه، پویایی ارتعاشی و تعاملات با حلال — هنگام ارزیابی عملکرد کاتالیتیکی تأکید می‌کند.

این چه معنایی برای انرژی تجدیدپذیر و صنعت دارد

اگر بتوان ام‌ایکسین‌ها را به‌طور قابل اطمینانی برای هدایت سنتز آمونیاک با بازده بالا و اورپتانسیل پایین تنظیم کرد، پیامدها گسترده خواهند بود. تولید پاک‌تر آمونیاک می‌تواند کربن‌زدایی تولید کود را ممکن سازد و اجازه دهد آمونیاک در برخی نقش‌های ذخیره‌سازی انرژی و حمل‌ونقل جایگزین سوخت‌های فسیلی شود. فراوانی نسبی و قابلیت تنظیم ام‌ایکسین‌ها می‌تواند وابستگی به فلزات گران‌بهای نادر در طیفی از الکتروکاتالیتورها را کاهش دهد.

با این حال چالش‌هایی باقی است. ترجمهٔ بینش‌های در مقیاس اتمی به الکترودهای مقیاس‌پذیر نیازمند پرداختن به پایداری ماده، انتقال جرم در دستگاه‌های واقعی و بازتولیدپذیری بلندمدت است. پژوهشگران باید همچنین تعامل ام‌ایکسین‌ها با الکترولیت‌ها را بهینه کرده و آن‌ها را در طراحی‌های راکتور عملیاتی ادغام کنند.

دیدگاه کارشناسی

"ام‌ایکسین‌ها به ما سطحی بی‌سابقه از کنترل روی شیمی سطح کاتالیزورها می‌دهند،" می‌گوید دکتر النا مارکز، دانشمند مواد که در این مطالعه دخیل نبوده است. "با ترکیب نظریه و طیف‌سنجی، تیم‌هایی مانند تیم دژیر می‌توانند اصول طراحی‌ای را شناسایی کنند که سنتز را به سوی دستگاه‌های واقعی هدایت می‌کند. گام‌های بعدی مهندسی پایداری و یکپارچه‌سازی این مواد در الکترولایزرهای نمونه‌اولیه خواهد بود."

با پیشرفت این حوزه، ام‌ایکسین‌ها می‌توانند به سنگ‌بنای تولید شیمیایی مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر تبدیل شوند — پیوندی میان علم مواد بنیادی و نیازهای فوری اقلیمی و کشاورزی.

تیم‌های پژوهشی به بهبود مدل‌ها، گسترش شناسایی‌های تجربی و آزمایش ام‌ایکسین‌ها در شرایط عملیاتی ادامه می‌دهند. با تلاش چندرشته‌ای، ممکن است این مواد دوبعدی نحوهٔ تولید مواد شیمیایی حیاتی و استفاده از برق تجدیدپذیر برای تأمین اقتصادی کم‌کربن را بازنویسی کنند.

مطلب مرتبط

ادامه مطلب

ریزجانداران تثبیت کننده نیتروژن زیر یخ های قطبی

دانشمندان جوامع میکروبی شگفت‌آور را در زیر یخ‌های دریای آرکتیک کشف کرده‌اند — موجوداتی که ابزارهای...