Vật liệu kỳ diệu này có thể cách mạng hóa năng lượng tái tạo
Tác giả: Raven Wuebker, Đại học Kỹ thuật Texas A&M — 29 tháng 10, 2025
Một nhóm các nhà nghiên cứu đã khám phá cách các vật liệu hai chiều được gọi là MXene có thể tạo ra bước đột phá trong năng lượng tái tạo và sản xuất hóa chất bền vững.
Các nhà khoa học đang tìm kiếm công nghệ sạch hơn và bền vững hơn đang hướng sự chú ý đến các vật liệu hai chiều có thể thay đổi cách thức vận hành của hệ thống năng lượng tái tạo. Công trình của họ có thể giúp tạo ra các hợp chất thiết yếu như amoniac — thành phần chính trong phân bón — theo phương pháp sạch hơn và hiệu quả hơn.
Trong số các vật liệu đầy triển vọng này, MXene là một lớp hợp chất mới có cấu trúc thấp chiều. MXene có thể hoạt động như chất xúc tác, chuyển hóa các nguyên tố trong không khí thành amoniac — quá trình có thể cải thiện hiệu suất năng lượng trong nông nghiệp và giao thông vận tải.
Một đặc điểm nổi bật của MXene là thành phần hóa học linh hoạt. Thành phần của chúng có thể được điều chỉnh tinh vi, cho phép các nhà khoa học kiểm soát chính xác cấu trúc và chức năng của vật liệu cho từng ứng dụng cụ thể.
Công trình nghiên cứu này, được công bố trên Tạp chí Hóa học Hoa Kỳ (Journal of the American Chemical Society), do các giáo sư kỹ thuật hóa học Abdoulaye Djire và Perla Balbuena cùng nghiên cứu sinh tiến sĩ Ray Yoo thực hiện.
Nhóm của Djire đang thách thức một niềm tin lâu nay trong khoa học vật liệu: rằng hiệu suất của vật liệu dựa trên kim loại chuyển tiếp chỉ phụ thuộc vào loại kim loại được sử dụng. Thay vào đó, họ muốn hiểu sâu hơn về cách các yếu tố cấu trúc khác nhau ảnh hưởng đến khả năng xúc tác.
Hiểu rõ chức năng xúc tác
“Chúng tôi muốn mở rộng hiểu biết về cách vật liệu hoạt động như chất xúc tác trong điều kiện điện hóa,” Djire cho biết. “Cuối cùng, kiến thức này có thể giúp chúng tôi xác định các thành phần quan trọng để sản xuất hóa chất và nhiên liệu từ các nguồn tài nguyên phong phú trên Trái đất.”
Cấu trúc của MXene đóng vai trò then chốt trong hành vi của chúng. Bằng cách điều chỉnh độ phản ứng của nitơ trong mạng tinh thể, cụ thể là thay thế nguyên tử carbon bằng nitơ, các nhà nghiên cứu có thể thay đổi các tính chất dao động của vật liệu — mô tả cách các phân tử chuyển động và rung động tùy theo năng lượng của chúng.
Theo Yoo, khả năng điều chỉnh tinh vi này khiến MXene trở thành vật liệu linh hoạt cho các ứng dụng năng lượng tái tạo. Tính “tùy biến cao” giúp MXene có tiềm năng thay thế các chất xúc tác điện hóa hiện nay vốn đắt đỏ và kém hiệu quả.
“MXene là ứng viên lý tưởng trong nhóm vật liệu thay thế dựa trên kim loại chuyển tiếp,” Yoo nói. “Chúng có tiềm năng lớn nhờ nhiều đặc tính ưu việt. Đặc biệt, MXene nitride thể hiện hiệu suất xúc tác vượt trội so với các loại carbide được nghiên cứu phổ biến.”
Phân tích mô phỏng và thực nghiệm
Nghiên cứu này còn được hỗ trợ bởi các phân tích tính toán nguyên lý đầu tiên do nghiên cứu sinh Hao-En Lai trong nhóm của Balbuena thực hiện. Nhóm đã đánh giá sự thay đổi trong chế độ dao động bề mặt khi các dung môi liên quan đến năng lượng tiếp xúc với MXene, qua đó định lượng tương tác phân tử trong quá trình tổng hợp amoniac.
Trong suốt quá trình, nhóm của Djire và Yoo đã sử dụng phổ Raman — kỹ thuật phân tích hóa học không phá hủy — để khảo sát tính chất dao động của nitride titan.
“Tôi cho rằng điểm quan trọng nhất của nghiên cứu này là khả năng của phổ Raman trong việc tiết lộ độ phản ứng của nitơ trong mạng tinh thể,” Yoo nói. “Điều này thay đổi cách hiểu về hệ thống điện xúc tác liên quan đến MXene.”
Theo Yoo, các nghiên cứu kết hợp phổ Raman với MXene nitride và dung môi phân cực có thể mở ra bước đột phá lớn trong lĩnh vực này.
“Chúng tôi chứng minh rằng quá trình tổng hợp amoniac điện hóa có thể đạt được thông qua sự proton hóa và tái tạo nitơ trong mạng tinh thể,” Djire cho biết. “Mục tiêu cuối cùng là hiểu được vai trò của từng nguyên tử trong cấu trúc vật liệu ở cấp độ nguyên tử.”
Tham khảo:
“Vibrational Property Tuning of MXenes Revealed by Sublattice N Reactivity in Polar and Nonpolar Solvents” — Ray M. S. Yoo, Bright Ngozichukwu, David Kumar Yesudoss, Hao-En Lai, Kailash Arole, Micah J. Green, Perla B. Balbuena và Abdoulaye Djire, Journal of the American Chemical Society, 4 tháng 2 năm 2025.
DOI: 10.1021/jacs.4c13878
Công trình được tài trợ bởi Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ (DEVCOM ARL Army Research Office, Energy Sciences Competency, Electrochemistry Program, số hiệu W911NF-24-1-0208).
Quan điểm trong bài viết là của các tác giả, không nhất thiết phản ánh chính sách chính thức của Quân đội hoặc Chính phủ Hoa Kỳ.
