Un studiu publicat în revista EES Catalysis aduce în prim-plan o categorie fascinantă de materiale bidimensionale ‒ MXenele ‒ și arată că imperfecțiunile lor structurale pot fi transformate în adevărate „centre de reacție” chimică.
Lucrarea, intitulată “Nb₂C MXene as a bifunctional acid–base and oxidation/hydrogenation catalyst”, este rezultatul unei colaborări internaționale la care au participat cercetători de la Universitatea din București (UB) și Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Materialelor (INCDFM), alături de parteneri din Spania. Dr. Dana Popescu, cercetător INCDFM și coautoare a studiului, a contribuit la investigarea suprafeței materialului prin spectroscopie de fotoelectroni (XPS).
MXenele – materiale extrem de subțiri, cu o suprafață foarte activă
MXenele sunt materiale alcătuite din foi atomice foarte subțiri de carburi sau nitruri ale metalelor de tranziție. De la descoperirea lor, acestea au atras atenția pentru aplicații în stocarea energiei, optoelectronică, electrocataliză sau biomedicină. Utilizarea lor drept catalizatori termici propriu-ziși este însă mult mai puțin explorată.
În studiul actual, cercetătorii au investigat Nb₂C MXene, obținut pornind de la Nb₂AlC prin îndepărtarea aluminiului și exfolierea materialului în foi extrem de subțiri. Măsurătorile de microscopie și AFM au indicat că o mare parte dintre acestea au o grosime de numai aproximativ 1,5 nanometri – adică de zeci de mii de ori mai mică decât grosimea unui fir de păr.
Dar proprietatea cea mai interesantă a materialului nu este doar faptul că este foarte subțire, ci că suprafața sa nu este perfectă.
Un „defect” care ajută chimia
La nivel atomic, lipsa unor atomi sau grupări chimice din structura ideală creează ceea ce cercetătorii numesc vacanțe. În multe materiale, asemenea defecte sunt considerate nedorite. În cataliză însă, situația poate fi exact inversă: ele pot deveni locurile în care moleculele se fixează și reacționează.
Analizele realizate în studiu arată că suprafața Nb₂C MXene prezintă astfel de neuniformități și grupări terminale de oxigen și fluor. Calculele teoretice au mers mai departe și au indicat că două vacanțe de oxigen aflate în apropiere pot coopera pentru activarea moleculelor și desfășurarea reacției chimice.
Cu alte cuvinte, ceea ce la prima vedere pare o imperfecțiune structurală poate deveni motorul activității catalitice.
Figura 1. Imagine la rezoluție atomică a materialului bidimensional Nb₂C MXene. Defectele structurale evidențiate în material sunt importante pentru înțelegerea centrelor active implicate în procesele catalitice. Reprodusă din O. Pavel et al., EES Catalysis (2025), DOI: 10.1039/D5EY00004A, sub licența CC BY-NC 3.0.
Un singur material, mai multe roluri catalitice
Nb₂C MXene s-a dovedit deosebit de versatil.
Materialul poate funcționa simultan ca acid și bază, proprietate utilă în reacțiile de condensare aldolică ‒ reacții foarte importante în chimia organică deoarece permit formarea de noi legături carbon–carbon. Pentru una dintre reacțiile studiate a fost obținută o frecvență de turnover de până la 855 h⁻¹, performanță comparabilă sau chiar superioară unor catalizatori solizi de referință precum MgO sau HZSM-5.
Acest material poate promova și oxidarea anilinei cu oxigen molecular, generând compuși azo și azoxi, importanți pentru coloranți, pigmenți și materiale funcționale. Prin introducerea ulterioară a unei etape de hidrogenare în același sistem, selectivitatea către azobenzen poate ajunge la aproximativ 98%.
Rezultatele indică astfel posibilitatea utilizării unui singur material 2D pentru reacții chimice diferite, fără a recurge în mod necesar la catalizatori pe bază de metale nobile.
„Amprenta” suprafeței: contribuția INCDFM prin XPS
Pentru un catalizator, suprafața este esențială: acolo are loc reacția. De aceea, o etapă importantă a studiului a fost identificarea compoziției și a stărilor chimice de la suprafața Nb₂C MXene.
În cadrul contribuției INCDFM, materialul a fost investigat prin spectroscopie de fotoelectroni, o tehnică ce permite practic realizarea unei „amprente chimice” a primilor nanometri ai suprafeței. Analizele XPS au identificat carbon, niobiu, oxigen și fluor și au evidențiat caracterul neideal al grupărilor care termină suprafața materialului MXene Nb₂C.
Aceste informații sunt importante deoarece fac legătura între chimica suprafeței, defectele structurale și activitatea catalitică observată experimental.
XPS a fost utilizată și după testele catalitice, contribuind la demonstrarea faptului că suprafața Nb₂C MXene își păstrează în mare măsură caracteristicile după utilizare. Împreună cu rezultatele de microscopie, datele au confirmat stabilitatea materialului după mai multe cicluri catalitice.
Colaborarea UB–INCDFM: de la chimia reacției la fizica suprafeței
Studiul reunește expertiza Universității din București în cataliză cu expertiza INCDFM în caracterizarea avansată a suprafețelor. Analizele XPS realizate la INCDFM au permis investigarea compoziției și a stărilor chimice ale materialului la scară nanometrică. Combinarea experimentelor catalitice, a microscopiei, analizelor de suprafață și modelării teoretice a permis construirea unei imagini coerente asupra modului în care funcționează Nb₂C MXene.
Perspective
În prezent sunt cunoscute peste 70 de tipuri de MXene, iar compoziția și chimia suprafeței acestora pot fi modificate într-o varietate impresionantă de moduri. Studiul arată că această diversitate ar putea fi exploatată și într-un domeniu încă relativ puțin explorat: cataliza termică.
Mai mult, rezultatele schimbă modul în care putem privi defectele structurale. La scară atomică, imperfecțiunea poate deveni funcționalitate: prin înțelegerea și, în viitor, controlul vacanțelor și al chimiei suprafeței, MXenele ar putea fi proiectate pentru reacții tot mai eficiente și selective.
Astfel de cercetări demonstrează cât de importantă este legătura dintre știința suprafețelor, chimie și modelarea teoretică pentru dezvoltarea noilor generații de materiale catalitice.
Articol original:
O. Pavel, A. Tirsoaga, B. Cojocaru, D. Popescu , R. Ramírez-Grau, P. González-Durán, P. García-Aznar, L. Tian, G. Sastre, A. Primo, V. Parvulescu, H. Garcia, Nb₂C MXene as a bifunctional acid–base and oxidation/hydrogenation catalyst, EES Catalysis, 3, 856 (2025). DOI: 10.1039/D5EY00004A.
Text realizat de Dr. Dana Popescu (INCDFM), coautoare a studiului.