محققان برای بهبود کارایی واکنش احیاء الکتروشیمیایی نیتروژن (eNRR)، به‌منظور تولید آمونیاک، از مواد دو بعدی استفاده کردند.
استفاده از مواد دو بعدی برای بهبود فرآیند تولید آمونیاک
آمونیاک (NH3) مصارف گسترده‌ای در صنایع دارد و به‌عنوان گاز برای تأسیسات سرمایشی، تصفیه آب و تولید پلاستیک، منسوجات، سموم دفع آفات و رنگ‌ها و همچنین به‌عنوان واحد سازنده برای تولید سایر مواد شیمیایی استفاده می‌شود.
علی‌رغم این طیف وسیع از کاربردها، حدود ۹۰ درصد آمونیاک تولید شده در سراسر جهان در کودها برای کمک به تداوم تولید مواد غذایی برای جمعیت در حال رشد جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در سیستم‌های زیستی، نیتروژنازها می‌توانند در یک فرآیند ATP محور موسوم به تثبیت N2، اقدام به تبدیل N2 به NH3 می‌کند. با این حال، تولید صنعتی NH3 به فرآیند هبر-بوش (Haber-Bosch) وابسته است، (N2 + 3H2 → ۲NH3) فرآیندی که به انرژی زیادی نیاز داشته و به کاتالیزورهای ناهمگن مبتنی بر Fe / Ru یا آلیاژهای Co-Mo-N متکی است. این فرآیند باعث آلودگی قابل توجه محیط‌زیست می‌شود.
مدت‌هاست که محققان در حال بررسی کاتالیزورهای کارآمدتر و فناوری‌های جایگزین بوده‌اند. یکی از این روش‌ها، تولید آمونیاک از طریق واکنش احیاء نیتروژن به شکل الکتروشیمیایی (eNRR) است که می‌تواند روش جایگزینی برای فرآیند Haber-Bosch فراهم کند. این روش در شرایط محیطی قابل انجام است و از انرژی تجدیدپذیر باد و انرژی خورشیدی استفاده می‌کند.
با این حال، الکتروکاتالیست‌هایی که در حال حاضر در این واکنش استفاده می‌شوند از قدرت انتخابی پایین برخوردار هستند.
تاکنون تعداد بسیار کمی الکتروکاتالیست دو بعدی برای NRR ارائه شده‌است. محققان دریافته‌اند که منشأ فعالیت و انتخاب‌گری کاتالیست‌های دو بعدی در درجه اول با لبه‌های کاتالیست یا نقص‌های ساختاری آن‌ها ارتباط دارد.
تاکنون چندین راهبرد مانند تقویت ساختاری، مهندسی سطحی و اصلاح نقص برای بهبود فعالیت خاص مواد دو بعدی به‌کار رفته است. ژونگفانگ چن از دانشگاه پورتوریکو می‌گوید: «برای دستیابی به سنتز کارآمد آمونیاک از طریق eNRR، کاتالیزوری با فعالیت انتخاب‌گری بالا و همچنین مساحت بالایی برای واکنش مورد نیاز است. با این حال، ادغام این دو ویژگی در یک ماده واحد به‌دلیل دشواری در متعادل‌سازی واسطه‌های واکنش، به‌صورت چالشی بزرگ باقی مانده است.»
این گروه تحقیقاتی در مقاله‌ای که در نشریه Advanced Functional Materials به چاپ رساندند، پیشنهاد کردند که گروهی از بوریدهای فلزی انتقالی دو بعدی که MBenes نامیده می‌شوند، از خانواده MXenes – می‌توانند این چالش را برطرف کنند و هم‌زمان فعالیت بالا و واکنش در سطح وسیع را ارائه کنند.
ژیانگیو گائو نویسنده اول این مقاله می‌گوید: «ما نشان دادیم که MBenes می‌تواند به‌طور موثر جذب و فعال‌سازی مولکول‌های N2 را تقویت کند، در حالی که واکنش رقابتی تولید هیدروژن را از بین می‌برد. بنابراین، مشکل اکسیداسیون/تخریب سطح، که عملکرد کاتالیزوری MXenes را برای NRR محدود می‌کند، می‌تواند به‌طور قابل توجهی در سطح این هفت ماده (CrB ، MoB ، WB ، Mo2B ، V3B4 ، CrMnB2 و CrFeB2) حل شود.
