Vilka egenskaper gör övergångsmetall-dichalkogenider och LDH-material lovande för katalytiska tillämpningar?

Övergångsmetall-dichalkogenider (TMDs) har blivit en framstående underkategori av tvådimensionella material, kända för sina exceptionella egenskaper som gör dem till potentiella ersättare för ädelmetaller i katalytiska applikationer. Dessa material har den generella kemiska formeln MX₂, där M representerar en övergångsmetall och X en kalkogen. TMDs uppvisar planära X–M–X-lager som är sammanlänkade enbart via van der Waals-interaktioner. Bland TMD-materialen återfinns molybdendiselenid (MoSe₂), molybdendisulfid (MoS₂), samt tungstensdiselenid (WSe₂), och även hexagonalt bortrinitrid (h-BN), tungstendisulfid (WS₂) och germen (tvådimensionellt germanium).

Inom katalysområdet har TMDs särskilt väckt intresse. Deras lagerstruktur gör det möjligt att avsiktligt justera deras kristallgitter och tillhörande spänningslandskap, vilket gör att katalytiska effekter kan förstärkas. TMD-nanostrukturer, som MoS₂, MoSe₂, WS₂, MoTe₂ och WSe₂, har ofta använts i katalytiska tillämpningar på grund av deras enastående egenskaper, inklusive stor yta, utmärkta elektriska egenskaper och hög kemisk stabilitet. WS₂ och MoS₂ finns i två huvudsakliga kristallina faser, 1T (metallisk) och 2H (semiconducting), var och en med sina egna unika materialegenskaper. Det finns även strategier för att inducera interkonversion mellan dessa faser, beroende på designens komplexitet, strukturell ordning och specifika kvanttillstånd.

Ett intressant exempel på detta är Zhang et al., som utvecklade en strategi för att syntetisera 1% MoS₂/Fe₂O₃/g-C₃N₄, genom hydrotermal syntes. Denna sammansättning visade sig ha en överlägsen väteproduktionen effektivitet (7,82 mmolg⁻¹h⁻¹) jämfört med det renodlade g-C₃N₄ (1,56 mmolg⁻¹h⁻¹). Genom att skapa denna kompositkatalysator har man kunnat skapa ytterligare vägar för laddningsbärarens migration och därigenom minska rekombinationen av fotogenererade elektron-hålpar.

LDH-material, eller bimetalliska hydroxider, är en annan kategori som har blivit populär inom katalys och fotokatalys. Dessa material har den generella formeln [M²⁺₁₋ₓ M³⁺ₓ(OH)₂][Ax/n]·mH₂O och är tvådimensionella substrat som används i fotokatalytiska vatten-splittringssystem. Genom att medvetet manipulera parametern x kan olika kemiska sammansättningar och strukturella konfigurationer av LDH-material syntetiseras. Denna flexibilitet i kemiska sammansättningar och strukturella arrangemang gör att LDH-material är särskilt intressanta för sol- till vätebränsle-applikationer, där de kan förbättra den fotokatalytiska väteproduktionen.

Exempel på aktiva LDH-material som ZnCr, NiCo, CoFe och CuCr har syntetiserats för att uppvisa olika fotoaktiva egenskaper anpassade till deras kompositionella och strukturella mångsidighet. Dessa material har visat sig vara effektiva för att katalysera fotokatalytisk väteproduktion. En studie av Silva et al. 2009 undersökte fotokatalytisk aktivitet för LDH-material, där bland annat ZnCe, ZnTi och ZnCr visade sig vara bra kandidater för att främja oxidation av vatten till O₂-gas under synligt ljus.

LDH-material har även potential som dopade halvledare, där högre valens metaller fungerar som dopanter för att förbättra den fotoelektriska aktiviteten. Ett exempel är CdS/NiFe nanokompositen, som visade en imponerande väteutvecklingshastighet på 72 mmol g⁻¹ h⁻¹. Denna typ av fotokatalytisk väteproduktion utan ädelmetaller öppnar dörren för utvecklingen av ekonomiskt hållbara katalysatorer för väteproduktion.

Hur 2D Material och Termoelektriska Egenskaper kan Förbättras för Nästa Generation av Termoelektriska Material

För att utveckla material med hög termoelektrisk prestanda (ZT) krävs en noggrant balanserad hantering av olika faktorer som den elektroniska ledningsförmågan, Seebeck-koefficienten och termisk ledningsförmåga. En nyckelstrategi för att förbättra ZT i nanoskaliga material innebär att minska den termiska ledningen genom att öka phonon-scattering, vilket gör det möjligt att optimera elektriska och termiska egenskaper utan att påverka den elektriska ledningsförmågan. Termisk ledning är en funktion av både fononöverföring genom kristallgitter och transport av fria elektroner. För att uppnå önskade egenskaper kan man reducera fononöverföringen utan att påverka elektrontransporten, vilket leder till en minskning av den totala termiska ledningen.

De senaste framstegen inom materialfysik, särskilt när det gäller 2D material, har visat sig vara särskilt lovande för utvecklingen av nästa generationens termoelektriska material. I tvådimensionella material (2D-SCM) sker en förändring av densiteten av tillstånd nära Fermi-nivån, vilket gör det lättare att manipulera Seebeck-koefficienten och elektrisk ledningsförmåga. Ett av de mest intressanta dragen hos sådana material är att deras lagerstruktur, som är stabiliserad genom van der Waals-interaktioner, gör det möjligt att isolera och undersöka dessa material som kvasi-2D-material.

När materialens dimensioner minskar från tredimensionella bulk-material till tvådimensionella tunna filmer och vidare till ett-dimensionella nanowires eller noll-dimensionella nanodots, förändras deras elektroniska egenskaper dramatiskt. I 2D-system minskar fononöverföringen på grund av den dimensionella inneslutningen och de förändrade gränssnitten, vilket skapar en mer effektiv dämpning av termisk ledning genom att blockera fononer vid olika frekvenser. Denna effekt, tillsammans med mikrostrukturens påverkan på elektronens täthet och ledningsförmåga, erbjuder nya möjligheter för att förbättra termoelektriska material.

Ett exempel på ett lovande 2D-material för termoelektriska tillämpningar är grafen, som är en tvådimensionell struktur bestående av ett enda lager av kolatomer arrangerade i ett hexagonalt gitter. Grafen har exceptionellt hög elektrisk ledningsförmåga och mekanisk styrka, men saknar en bandgap, vilket gör det till ett semimetalliskt material. Dessutom visar grafen en hög termisk ledningsförmåga, vilket gör det svårt att effektivt optimera ZT utan ytterligare modifiering eller dämpning av fonontransporten.

Graphen, trots sina fördelar, har vissa tekniska hinder när det gäller termoelektriska egenskaper, särskilt när det gäller den Seebeck-koefficienten. För att förbättra grafens termoelektriska prestanda kan man justera externa parametrar som gate-spänning och antalet lager i materialet. Dessa justeringar kan påverka grafens ledningsförmåga och det termoelektriska effektfaktorn, vilket gör det möjligt att finjustera materialet för specifika tillämpningar. Även om grafen i sig har en låg Seebeck-koefficient, kan en ökad kontroll över dess elektroniska struktur och gränssnitt med andra material förbättra dess termoelektriska egenskaper.

Vidare har transition metalsdikalcogenider (TMDC), MXenes, silicen och fosforen också visat stor potential inom termoelektriska tillämpningar. Dessa material erbjuder unika egenskaper som gör dem till kandidater för nästa generations termoelektriska material. Till exempel kan TMDC-material ge bättre kontroll över elektriska och mekaniska egenskaper, medan MXenes har fördelar när det gäller att hantera termiska egenskaper och elektrisk ledningsförmåga.

För att effektivt utveckla termoelektriska material är det avgörande att inte bara förstå dessa material på en grundläggande nivå utan även att kunna manipulera deras strukturella och elektroniska egenskaper för att uppnå de optimala förhållandena för ZT. Forskningen på 2D-material öppnar dörrar för nya tekniker och experimentella metoder som möjliggör en mer exakt och effektiv design av nästa generations termoelektriska material.