Trong nỗ lực tối ưu hóa công nghệ năng lượng tái tạo, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu vật liệu hai chiều (2D) với những cấu trúc có độ dày chỉ bằng một nguyên tử. Loại vật liệu này được kỳ vọng giúp mang lại những phương pháp bền vững và thân thiện môi trường hơn trong việc sản xuất các hóa chất thiết yếu, đặc biệt là amoniac - nền tảng của phân bón nông nghiệp.

Trong số đó, MXenes được xem là một trong những họ vật liệu nổi bật nhất. Đây là các hợp chất có cấu trúc chiều thấp với khả năng chuyển hóa nitơ trong không khí thành amoniac. Đặc điểm hóa học linh hoạt của MXenes cho phép các nhà khoa học tùy chỉnh thành phần và cấu trúc nguyên tử, từ đó kiểm soát chính xác đặc tính cũng như hiệu suất xúc tác của chúng.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ do tiến sĩ Abdoulaye Djire và tiến sĩ Perla Balbuena, các giáo sư kỹ thuật hóa học, cùng nghiên cứu sinh tiến sĩ Ray Yoo thực hiện.

Hình minh họa về cấu trúc của MXenes, một vật liệu hai chiều được làm từ nitrua cacbua, để điều chỉnh thành phần hóa học.

Theo tiến sĩ Djire, nhóm nghiên cứu đang thách thức những quan niệm lâu nay trong lĩnh vực vật liệu dựa trên kim loại chuyển tiếp. Trước đây, giới khoa học tin rằng hiệu quả của một chất xúc tác phụ thuộc chủ yếu vào loại kim loại mà nó chứa. Tuy nhiên, nhóm của ông hướng tới việc mở rộng cách hiểu này.

“Chúng tôi muốn hiểu sâu hơn về cách các vật liệu hoạt động như chất xúc tác trong các điều kiện điện hóa xúc tác”, ông Djire cho biết. “Từ đó, chúng tôi có thể xác định những yếu tố then chốt giúp sản xuất hóa chất và nhiên liệu từ các nguồn tài nguyên phong phú sẵn có trên Trái đất”.

Cấu trúc của MXenes có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi sự tương tác giữa các nguyên tử nitơ trong mạng tinh thể. Sự thay đổi này, được gọi là “tính phản ứng của nitơ mạng lưới”, ảnh hưởng đến tính chất dao động của vật liệu, từ đó quyết định mức độ hiệu quả trong quá trình xúc tác phản ứng hóa học.

Nhờ khả năng “tinh chỉnh” linh hoạt, MXenes có thể được tối ưu hóa cho nhiều ứng dụng năng lượng tái tạo khác nhau. Theo tiến sĩ Yoo, điều này khiến chúng trở thành ứng cử viên sáng giá thay thế cho các vật liệu điện hóa xúc tác đắt đỏ hiện nay.

“MXenes là lựa chọn lý tưởng vì chúng hội tụ nhiều đặc tính vượt trội”, ông Yoo nhận định. “Đặc biệt, các MXenes nitride thể hiện hiệu suất điện hóa xúc tác ấn tượng, vượt trội hơn so với các hợp chất carbide đã được nghiên cứu trước đây”.

Để hiểu rõ hơn cách hoạt động của MXenes, nghiên cứu sinh tiến sĩ Hao-En Lai thuộc nhóm của tiến sĩ Balbuena đã tiến hành mô phỏng tính toán ở cấp độ phân tử. Các kết quả cho thấy cách các dung môi năng lượng tương tác với bề mặt MXene, giúp nhóm nghiên cứu định lượng các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp amoniac.

Song song đó, nhóm của tiến sĩ Djire và Yoo đã phân tích hành vi dao động của titan nitride bằng phổ Raman, một kỹ thuật quang học không phá hủy cho phép quan sát chi tiết cấu trúc và liên kết của vật liệu.

“Tôi cho rằng điểm nổi bật nhất của nghiên cứu là khả năng của phổ Raman trong việc tiết lộ tính phản ứng của nitơ mạng lưới”, ông Yoo chia sẻ. “Kết quả này giúp chúng ta định hình lại cách hiểu về các hệ thống điện hóa xúc tác liên quan đến MXenes”.

Ông cũng cho rằng việc tiếp tục nghiên cứu sự tương tác giữa MXenes nitride và các dung môi phân cực thông qua phổ Raman có thể mang lại những bước tiến quan trọng trong lĩnh vực hóa học xanh.

“Kết quả của chúng tôi cho thấy quá trình tổng hợp amoniac điện hóa có thể đạt được thông qua proton hóa và bổ sung nitơ mạng lưới”, tiến sĩ Djire cho biết. “Mục tiêu lâu dài của dự án là đạt được hiểu biết ở cấp độ nguyên tử về vai trò của từng nguyên tử cấu thành trong cấu trúc vật liệu”.

Theo các nhà nghiên cứu, việc kiểm soát được phản ứng năng lượng ở mức độ nguyên tử như vậy sẽ mở đường cho những công nghệ sản xuất nhiên liệu và phân bón xanh hiệu quả hơn, góp phần quan trọng vào quá trình chuyển đổi năng lượng bền vững trong tương lai.