Vědci zkoumají MXeny, 2D materiály, které by mohly např. přeměňovat dusík ze vzduchu na amoniak pro výrobu čistších hnojiv a paliv.
MXENy – dvourozměrné anorganické materiály odvozené od vrstevnatých karbidů, nitridů nebo karbonitridů přechodných kovů. Patří do širší rodiny 2D materiálů, tzn. materiálů tvořených pouze jednou vrstvou o tloušťce jedné molekuly. Poprvé byly připraveny v roce 2011.
Amoniak – NH3, velice důležitá chemikálie, celosvětově patří mezi nejvyráběnější látky. Slouží jako výchozí látka pro výrobu kyseliny dusičné, hnojiv, atd.
Ramanova spektroskopie – metoda molekulové spektroskopie založená na sledování nepružného rozptylu laserového záření na studovaném vzorku.
MXeny jsou poměrně nové materiály, ale pro mnoho aplikací se zdají být velmi slibnými. Patří sem katalýza, superkondenzátory a další oblasti. Publikovaný článek se týká jejich katalytických vlastností a míří k syntéze amoniaku, což je proces odpovědný za cca 1,5 % světových emisí CO2.[1,2]
MXeny se připravují z tzv. MAX fází odleptáním vrstvy A, např. pomocí kyseliny fluorovodíkové nebo hydrogendifluoridu amonného (NH4HF2). MAX fáze jsou karbidy nebo nitridy se stechiometrií Mn+1AXn, kde M je přechodný kov z 3.-6. skupiny PSP, A je prvek ze skupiny 13.-16. (příp. zde může být i kadmium) a X je uhlík nebo dusík.[3]
V publikované práci bylo, pomocí Ramanovy spektroskopie, detailně studováno vibrační chování dusíkových atomů v MXenech v prostředí různých rozpouštědel. Využity byly Ti3C2Tx, dusíkem dopovaný Ti3C2Tx a karbonitrid Ti3CNTx (Tx = -O-, -OH, -F).
Velmi zajímavou částí práce bylo sledování elektrokatalytické redukce dusíku na amoniak. Byl zde předpokládán a také potvrzen MvK mechanismus (Mars-van Krevelen). Tzn. že nejprve dojde k sorpci vodíku na povrch katalyzátoru (MXenu) a následně k několikakrokovému procesu, během kterého dojde k uvolnění dusíku z mřížky MXenu a vzniku molekuly amoniaku a doplnění dusíku v mřížce pomocí plynného dusíku v okolí reakčního centra.
Tento mechanismus byl potvrzen použitím plynného dusíku obsahujícího pouze molekuly 15N2. Produkt byl monitorován pomocí 1H NMR. Při použití čistého 15N2 obsahoval produkt směs amoniaku s dusíkem 14 i 15, čímž bylo prokázáno, že dusík pochází k mřížky MXenu. Pokud by poté dusík nahrazen 14N2, ještě po nějakou dobu byl patrný vznik amoniaku s dusíkem-15, který pocházel z krystalové mřížky MXenu, viz obr. dole.
V této práci byla popsána interakce MXenů s různými rozpouštědly a také elektrokatalytická redukce dusíku probíhající MvK mechanismem. Změnou rozpouštědla a také volbou atomu X lze velmi dobře optimalizovat katalytické chování těchto materiálů.