Trong nỗ lực tìm kiếm các công nghệ sạch và bền vững hơn, các nhà khoa học đang chuyển sự chú ý sang các vật liệu hai chiều có khả năng làm thay đổi các hệ thống năng lượng tái tạo. Công trình của họ có thể mở đường cho việc sản xuất các hợp chất thiết yếu như amoniac — một thành phần quan trọng trong phân bón — bằng những phương pháp sạch hơn và hiệu quả hơn.

Trong số những vật liệu đầy hứa hẹn nhất có MXene, một nhóm hợp chất mới nổi với cấu trúc thấp chiều. MXene có thể đóng vai trò là chất xúc tác, giúp chuyển hóa các nguyên tố từ không khí thành amoniac, một quá trình có tiềm năng nâng cao hiệu suất năng lượng trong cả nông nghiệp lẫn lĩnh vực giao thông vận tải.

Một trong những đặc điểm nổi bật của MXene là thành phần hóa học có khả năng điều chỉnh linh hoạt. Cấu trúc của chúng có thể được tinh chỉnh một cách chính xác, cho phép các nhà khoa học kiểm soát chặt chẽ các đặc tính cấu trúc và chức năng để phục vụ những mục đích khác nhau.

Nghiên cứu này, được đăng trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (Journal of the American Chemical Society), do các giáo sư kỹ thuật hóa học là Tiến sĩ Abdoulaye Djire và Tiến sĩ Perla Balbuena thực hiện, cùng với nghiên cứu sinh tiến sĩ Ray Yoo.

Nhóm của Djire đang đặt câu hỏi đối với một quan niệm lâu nay trong khoa học vật liệu: rằng hiệu suất của các vật liệu dựa trên kim loại chuyển tiếp chỉ phụ thuộc vào loại kim loại cụ thể được sử dụng. Thay vào đó, họ hướng tới việc làm sáng tỏ cách các yếu tố cấu trúc khác nhau ảnh hưởng đến khả năng xúc tác.

Hiểu về chức năng xúc tác

“Chúng tôi mong muốn mở rộng hiểu biết về cách các vật liệu hoạt động như chất xúc tác trong điều kiện điện xúc tác,” Djire cho biết. “Cuối cùng, kiến thức này có thể giúp chúng tôi xác định những thành phần then chốt cần thiết để sản xuất hóa chất và nhiên liệu từ các nguồn tài nguyên dồi dào trong tự nhiên.”

Cấu trúc của MXene đóng vai trò quan trọng trong cách chúng thể hiện tính chất. Bằng cách điều chỉnh độ phản ứng của nitơ trong mạng tinh thể — cụ thể là thay thế một nguyên tử carbon bằng một nguyên tử nitơ — các nhà nghiên cứu có thể thay đổi các đặc tính dao động của vật liệu. Những đặc tính này mô tả cách các phân tử chuyển động và rung động dựa trên năng lượng mà chúng hấp thụ.

Theo Yoo, khả năng tinh chỉnh này khiến MXene trở nên cực kỳ linh hoạt cho các ứng dụng năng lượng tái tạo có mục tiêu rõ ràng. Tính “may đo” của chúng giúp MXene trở thành ứng viên nặng ký để thay thế các vật liệu điện xúc tác hiện nay, vốn thường đắt đỏ và kém hiệu quả.

“MXene là những ứng viên lý tưởng cho vai trò vật liệu thay thế dựa trên kim loại chuyển tiếp. Chúng sở hữu nhiều đặc tính ưu việt và tiềm năng rất lớn,” Yoo nói. “MXene nitrua đóng vai trò quan trọng trong điện xúc tác, điều này được thể hiện qua hiệu suất vượt trội so với các MXene cacbua đã được nghiên cứu rộng rãi.”

Góc nhìn tính toán và thực nghiệm

Công trình nghiên cứu còn được bổ trợ bởi các phân tích tính toán từ nguyên lý đầu tiên (first-principles) do nghiên cứu sinh tiến sĩ Hao-En Lai thuộc nhóm của Tiến sĩ Balbuena thực hiện. Nhóm đã đánh giá những thay đổi trong các chế độ dao động bề mặt do sự tiếp xúc của MXene với các dung môi liên quan đến năng lượng. Từ những kết quả bổ sung này, các tác giả đã định lượng được các tương tác phân tử, đặc biệt trong bối cảnh tổng hợp amoniac.

Trong suốt quá trình nghiên cứu, Djire, Yoo và các cộng sự đã khảo sát các đặc tính dao động của titan nitrua bằng quang phổ Raman — một kỹ thuật phân tích hóa học không phá hủy, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc hóa học.

“Tôi cho rằng một trong những điểm quan trọng nhất của nghiên cứu này là khả năng của quang phổ Raman trong việc làm lộ rõ độ phản ứng của nitơ trong mạng tinh thể,” Yoo chia sẻ. “Điều này làm thay đổi cách hiểu về hệ điện xúc tác liên quan đến MXene.”

Theo Yoo, các nghiên cứu sử dụng đặc trưng Raman đối với MXene nitrua và dung môi phân cực có thể dẫn đến những đột phá lớn.

“Chúng tôi chứng minh rằng quá trình tổng hợp amoniac bằng điện hóa có thể đạt được thông qua sự proton hóa và tái bổ sung nitơ trong mạng tinh thể,” Djire nói. “Mục tiêu cuối cùng của dự án là đạt được sự hiểu biết ở cấp độ nguyên tử về vai trò của từng nguyên tử cấu thành nên cấu trúc của vật liệu.”