Khám phá 'vật liệu 2 chiều' tạo ra cách mạng trong năng lượng tái tạo

4 giờ trướcBài gốc

Nhóm nghiên cứu khám phá tiềm năng của vật liệu hai chiều MXene trong năng lượng tái tạo

Trong bối cảnh toàn cầu đang tìm kiếm những công nghệ sạch và hiệu quả hơn, các vật liệu hai chiều được xem như chìa khóa có thể thay đổi căn bản hệ thống năng lượng tái tạo. Công trình này mở ra triển vọng tạo ra các hợp chất thiết yếu như amoniac – nguyên liệu chính trong sản xuất phân bón – bằng những phương pháp xanh và tiết kiệm năng lượng hơn.

MXene – vật liệu hai chiều đầy triển vọng

MXene nổi bật như một lớp hợp chất có khả năng tạo cách mạng trong năng lượng tái tạo

Trong số các vật liệu mới, MXene nổi bật như một lớp hợp chất có cấu trúc chiều thấp, sở hữu khả năng xúc tác mạnh giúp chuyển hóa các nguyên tố trong không khí thành amoniac. Điều này có thể tăng hiệu quả năng lượng trong cả nông nghiệp lẫn vận tải.

Một đặc điểm đặc biệt của MXene là thành phần hóa học linh hoạt, cho phép điều chỉnh chính xác cấu trúc và tính năng để phù hợp với từng ứng dụng.

Nghiên cứu được công bố trên Journal of the American Chemical Society, do hai 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 giả định lâu đời trong khoa học vật liệu: rằng hiệu suất của vật liệu dựa trên kim loại chuyển tiếp phụ thuộc duy nhất vào loại kim loại. Thay vào đó, họ tìm cách làm sáng tỏ các yếu tố cấu trúc ảnh hưởng đến hiệu quả xúc tác.

Hiểu về chức năng xúc tác

Djire cho biết: “Chúng tôi muốn mở rộng hiểu biết về cách các vật liệu hoạt động như chất xúc tác trong điều kiện điện hóa. Từ đó, có thể xác định những yếu tố then chốt để sản xuất nhiên liệu và hóa chất từ nguồn tài nguyên phong phú trong tự nhiên”.

Cấu trúc của MXene đóng vai trò quan trọng trong hành vi xúc tác của nó. Bằng cách điều chỉnh độ phản ứng của nitơ trong mạng tinh thể, cụ thể là thay nguyên tử carbon bằng nitơ, các nhà nghiên cứu có thể thay đổi đặc tính dao động của vật liệu, tức là cách các phân tử di chuyển và rung động theo năng lượng bên trong.

Theo Yoo, khả năng tinh chỉnh này khiến MXene cực kỳ thích hợp cho các ứng dụng năng lượng tái tạo, đồng thời thay thế được các chất xúc tác điện hóa đắt đỏ và kém hiệu quả hiện nay.

Yoo nói: “MXene là ứng viên lý tưởng cho vật liệu dựa trên kim loại chuyển tiếp. Đặc biệt, MXene nitride thể hiện hiệu suất điện xúc tác vượt trội so với các biến thể carbide đã được nghiên cứu rộng rãi”.

Kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm

Công trình còn được bổ sung bằng phân tích tính toán nguyên lý đầu tiên (first-principles analysis) do nghiên cứu sinh Hao-En Lai thuộc nhóm của giáo sư Balbuena thực hiện. Nhóm đã đánh giá sự thay đổi trong các dao động bề mặt của MXene khi tiếp xúc với dung môi liên quan đến năng lượng, từ đó định lượng mức độ tương tác của các phân tử – đặc biệt trong quá trình tổng hợp amoniac.

Trong quá trình nghiên cứu, nhóm của Djire và Yoo cũng sử dụng phổ Raman – một kỹ thuật phân tích hóa học không phá hủy – để khảo sát đặc tính dao động của nitơ trong titan nitride.

Yoo chia sẻ: “Điểm quan trọng nhất của nghiên cứu là khả năng của phổ Raman trong việc tiết lộ phản ứng của nitơ trong mạng tinh thể. Điều này làm thay đổi cách hiểu về hệ điện xúc tác của MXene”.

Ông cho rằng sự kết hợp giữa MXene nitride và dung môi phân cực trong khảo sát phổ Raman có thể dẫn đến những đột phá lớn trong tương lai.

Djire kết luận: “Chúng tôi đã chứng minh rằng tổng hợp amoniac điện hóa có thể đạt được thông qua cơ chế proton hóa và tái tạo nitơ trong mạng tinh thể. Mục tiêu cuối cùng là đạt đến hiểu biết ở cấp độ nguyên tử về vai trò của từng nguyên tử cấu thành vật liệu”.

MXenes được xem là vật liệu có thể thay đổi cuộc chơi trong năng lượng tái tạo vì 4 lý do chính sau:

Thứ nhất, dẫn điện và dẫn nhiệt cực cao

MXenes là nhóm vật liệu hai chiều (2D) có cấu trúc giống graphene, nhưng dễ điều chỉnh hơn.

Nhờ khả năng dẫn điện vượt trội, chúng cho phép truyền tải và lưu trữ năng lượng hiệu quả, phù hợp cho pin sạc, siêu tụ điện và thiết bị điện tử năng lượng thấp.

Thứ hai, bề mặt linh hoạt và phản ứng hóa học mạnh

Các nguyên tử bề mặt của MXenes có thể được chỉnh sửa hóa học (functionalize), giúp chúng tối ưu phản ứng điện hóa trong pin hoặc tế bào nhiên liệu.

Điều này giúp cải thiện hiệu suất lưu trữ ion lithium, natri, hoặc proton, mở ra hướng cho pin thế hệ mới thay thế pin lithium-ion truyền thống.

Thứ ba, hiệu quả cao trong xúc tác và tách nước tạo hydro

Một số dạng MXene hoạt động như chất xúc tác hiệu quả cho phản ứng tách nước, sản xuất hydro xanh – nguồn năng lượng tái tạo quan trọng.

Khả năng điều chỉnh cấu trúc giúp chúng đạt hiệu suất gần ngang kim loại quý như bạch kim, nhưng rẻ hơn nhiều.

Thứ tư, ổn định, dễ sản xuất và tích hợp

Không như graphene – khó sản xuất ở quy mô công nghiệp – MXenes có thể được tổng hợp hàng loạt từ vật liệu gốc (MAX phase) bằng quy trình hóa học tương đối đơn giản.

Điều này khiến chúng thực tế hơn cho ứng dụng thương mại trong năng lượng sạch, lưu trữ và cảm biến môi trường.

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/kham-pha-vat-lieu-2-chieu-tao-ra-cach-mang-trong-nang-luong-tai-tao-240485.html