Sintesi, caratterizzazione e attività di TiNTs dopati con Fe e TiNα MXenes per ottenere la riduzione fototermica di N2 a NH3

Abstract

La produzione fotocatalitica di ammoniaca (NH3) rappresenta un’alternativa promettente ai metodi industriali tradizionali, offrendo il potenziale per processi più sostenibili ed energeticamente efficienti. In questo contesto, MXeni e nanotubi di titanio (TiNT) hanno dimostrato un’elevata attività come fotocatalizzatori nella reazione di fissazione dell'azoto. I MXeni, una classe di materiali bidimensionali (2D) derivati dalle fasi MAX, presentano proprietà uniche, tra cui elevata conduttività e resistenza meccanica. In questo studio, i nitruri di titanio (TiNα) sono stati esplorati per la loro attività fotocatalitica. Le fasi MAX Ti3AlN e Ti2AlN sono state trattate utilizzando il metodo dei sali fusi con acidi di Lewis in atmosfera di argon; è stato poi valutato l’impatto delle temperature di sintesi e dei successivi trattamenti di purificazione per ottimizzare le proprietà dei materiali. I TiNT, noti per la loro vasta area superficiale, i siti attivi sintonizzabili e la buona stabilità, sono stati anch’essi investigati. Nanotubi di titanio a base di sodio (Na-TiNT), potassio (K-TiNT) e cesio (Cs-TiNT), poi dopati con ferro (Fe) sono stati sintetizzati e impiegati per valutare gli effetti del drogaggio e l'influenza degli ioni dei metalli alcalini sulle loro prestazioni catalitiche. Entrambe le classi di materiali sono state caratterizzate per comprendere a fondo le loro proprietà strutturali ed elettroniche. Si sono condotte reazioni batch, con o senza irradiazione, per determinare il meccanismo di reazione. La fonte di azoto è stata confermata tramite esperimenti isotopici con 15N2. Le condizioni di reazione sono state ottimizzate per migliorare le prestazioni catalitiche. I risultati ottenuti forniscono importanti spunti per la progettazione di fotocatalizzatori a base di titanio, utili per una fissazione dell'azoto più efficiente e sostenibile.

The photocatalytic production of ammonia (NH3) is a promising alternative to traditional methods, offering the potential for more sustainable and energy-efficient processes. As part of this approach, titanium-based materials, such as MXenes and titanate nanotubes (TiNTs), have shown significant activity for nitrogen fixation. MXenes, a class of two-dimensional (2D) materials derived from MAX phases, exhibit unique properties, including high conductivity and mechanical strength. In this study, titanium nitride MXenes were explored for their photocatalytic activity in nitrogen reduction reaction. Ti3AlN and Ti2AlN MAX phases were etched using a Lewis acid molten salt method, with CuCl2, under an argon atmosphere. The impact of etching temperatures and subsequent purification steps was evaluated to optimize material properties. TiNTs, which are known for their large surface area, tunable active sites, and stability, were also investigated. Different starting structures, including sodium (Na-TiNT), potassium (K-TiNT), and caesium titanate (Cs-TiNT) nanotubes, were synthesized and doped with iron (Fe) to enhance their photocatalytic activity. These materials were tested to assess the effects of doping and the influence of the alkali metal ions on their catalytic performance. The materials were characterized to understand their structural and electronic properties. They were tested in batch reactions, with or without irradiation, to determine the reaction mechanism. The nitrogen source was confirmed using 15N2 isotope labeling. Reaction conditions were optimized to improve catalytic performance. Both materials were evaluated for ammonia production using the indophenol blue method and 1H NMR spectroscopy. The findings provide insights into designing titanium-based photocatalysts for efficient and sustainable nitrogen fixation.