Un nuevo material 2D transforma el aire en combustible y fertilizante

Investigadores de la Texas A&M University exploraron un grupo de materiales conocidos como MXenes, que tienen el potencial de transformar componentes del aire en amoníaco, un ingrediente clave para fertilizantes y combustibles. Estos materiales 2D se destacan por su química única, que permite ajustar su composición para optimizar su rendimiento.

El estudio fue publicado en el Journal of the American Chemical Society por los profesores de ingeniería química Abdoulaye Djire y Perla Balbuena, junto con el candidato a doctorado Ray Yoo. Djire y su equipo desafiaron creencias tradicionales sobre la eficacia de los catalizadores, que se pensaba dependían únicamente del tipo de metal utilizado.

"Buscamos ampliar nuestra comprensión sobre cómo los materiales funcionan como catalizadores en condiciones electrocatalíticas", afirmó Djire. Esta investigación podría ayudar a identificar componentes clave para producir químicos y combustibles a partir de recursos abundantes en la Tierra.

La estructura de los MXenes puede ajustarse modificando la interacción de los átomos de nitrógeno dentro de la red, lo que influye en las propiedades vibracionales de las moléculas. Estas propiedades son esenciales para determinar la eficacia de un material en reacciones químicas.

Gracias a su capacidad de ajuste, los MXenes pueden ser optimizados para diversas aplicaciones de energía renovable. Yoo destacó que estos materiales son alternativas prometedoras a los costosos electrocatalizadores. "Los MXenes son candidatos ideales como materiales alternativos basados en metales de transición, debido a sus muchas cualidades deseables", explicó.

Para profundizar su comprensión, el estudiante de doctorado Hao-En Lai realizó estudios computacionales sobre el comportamiento de los MXenes a nivel molecular. Las simulaciones revelaron cómo los disolventes relevantes para la energía interactúan con las superficies de los MXenes, ayudando a cuantificar interacciones moleculares importantes para la síntesis de amoníaco.

Djire, Yoo y sus colaboradores también analizaron el comportamiento vibracional del nitruro de titanio utilizando espectroscopia Raman, un método no destructivo que proporciona información detallada sobre la estructura y el enlace de un material. Yoo comentó que uno de los aspectos más importantes de esta investigación es la capacidad de la espectroscopia Raman para revelar la reactividad del nitrógeno en la red, lo que redefine la comprensión del sistema electrocatalítico que involucra a los MXenes.

El objetivo final de este proyecto es lograr un entendimiento a nivel atómico del papel que juegan los átomos en la estructura de un material. "Demostramos que la síntesis electroquímica de amoníaco puede lograrse a través de la protonación y el reabastecimiento de nitrógeno en la red", concluyó Djire.

Esta investigación recibió apoyo de la U.S. Army DEVCOM ARL Army Research Office Energy Sciences Competency, Programa de Electroquímica (premio # W911NF-24-1-0208). Los autores señalaron que las opiniones y conclusiones presentadas son propias y no necesariamente reflejan las políticas oficiales del ejército de EE. UU. o del gobierno de EE. UU.

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