Heterogeneous 2D/2D MnO2/MXene catalyst for nitrate-to-ammonia electrochemical reduction and Zn-nitrate battery behavior

Bài báo thuộc danh mục ISI (Q1) do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn- khoa Khoa học cơ bản trường Đại học Công nghiệp Hà Nội; TS. Phùng Thị Việt Bắc; TS. Nguyễn Phi Long; Cử nhân Phú Thị Kim Cương; TS. Nguyễn An Giang; Cử nhân Trần Thị Minh Anh- Trường VinUniversity; TS. Phạm Thanh Ngọc- Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh; TS. Nguyễn Lê Ngân- Đại học Văn Lang đăng trong tập 28 số 6 tạp chí IScience ngày 20 tháng 6 năm 2025 do nhà xuất bản Elsevier phát hành.

Amoniac (NH₃) là chất quan trọng để sản xuất các hợp chất liên quan đến nitơ và cũng là chất chứa hydro với hàm lượng hydrogen cao. Hiện nay, sản xuất NH3 chủ yếu dùng quy trình Haber-Bosch, tiêu tốn nhiều năng lượng. Tổng hợp amoniac điện hóa ở nhiệt độ môi trường thông qua phản ứng khử nitrat (NO3RR) là một giải pháp có tính khả thi cao thay thế cho quy trình Haber-Bosch. Tuy nhiên người ta chưa tìm thấy chất xúc tác điện hiệu quả cho quy trình này. Trong nghiên cứu, các tấm MnO2 hai chiều được đặt trên cấu trúc vật liệu hai chiều MXene Ti3C2Tx, tạo thành chất xúc tác dị thể cho NO3RR với sản lượng amoniac là 14,06 ± 0,48 mg h−1.mgcat−1 ở hiệu điện thế −1,2 V so với điện cực hydro thuận nghịch (so với RHE) và hiệu suất Faradaic (FE) là 85,23 ± 1,62% ở −1,0 so với RHE, độ ổn định tốt trong sáu chu kỳ liên tiếp, với NH3 FE vượt quá 75% ở −1,0 V so với RHE trong chất điện phân K2SO4 0,5 M và KNO3 0,1 M. Với vai trò là catốt trong pin Zn-NO3− với tấm Zn được đánh bóng từ pin Zn-C đã qua sử dụng làm anot, nó tạo ra mật độ công suất là 0,323 mW cm−2 và NH3 FE là ∼79,9%. Nghiên cứu làm nổi bật vai trò xúc tác của MXene Ti3C2Tx/ MnO2, cực kỳ hiệu quả cho NO3RR và khả năng áp dụng của nó trong sản xuất NH3 để tự chủ nguồn cung cấp năng lượng.

Sau khi nghiên cứu nhóm tác giả đã đưa ra được kết luận: cấu trúc vật liệu hai chiều MXene 2D được phân hóa thành các mảnh nano MnO2 hai chiều có thể tăng cường hoạt động xúc tác NO3 RR bằng cách xen kẽ cấu trúc điện tử. Với các nồng độ KMnO4 khác nhau dẫn đến sự hình thành các chất xúc tác MnO2 /MXene dạng thưa, MnO2 /MXene dạng dày đặc và MnO2 /MXene dạng cầu gai. Những thay đổi về hình thái và tính chất điện tử của các vật liệu xúc tác được làm sáng tỏ thông qua các phép đo sử dụng công nghệ hiện đại có độ tin cậy cao. Cấu trúc vật liệu MnO2/MXene dạng dày đặc với mật độ tối ưu của các mảnh nano MnO2 phân bố đều trên nền MXene thể hiện hiệu suất vượt trội đạt được NH3 FE là 85,23% ở -1,0 V so với điện cực hydro chuẩn RHE trong môi trường trung tính. Nghiên cứu của nhóm tác giả không chỉ giới thiệu một chất xúc tác dị thể 2D/2D hiệu suất cao cho NO3 RR mà còn đưa ra một chiến lược vượt trội trong lưu trữ năng lượng và tổng hợp amoniac thông qua hệ thống pin Zn– NO3 .

Nghiên cứu này nhóm tác giả đã nhân được sự hỗ trợ tài chính bởi quỹ tài trợ số VUNI.2324.SG05 và khoản tài trợ số VINUNI.CEI.FS_0007 từ VinUniversity, Việt Nam.

Abstract: Ambient temperature electrochemical ammonia synthesis via nitrate reduction reaction (NO3RR) is a promising alternative to the energy-intensive Haber-Bosch process but lacks effective electrocatalysts for practical applications. In this work, MnO2 2D-nanoflakes are anchored onto 2D-MXene Ti3C2Tx, forming a heterogeneous catalyst for NO3RR with an ammonia yield of 14.06 ± 0.48 mg.h-1.mgcat-1 at -1.2 V versus Reversible Hydrogen Electrode (vs. RHE) and a Faradaic efficiency (FE) of 85.23 ± 1.62% at -1.0 vs. RHE, along with good stability over six consecutive cycles, with NH3 FE exceeding 75% at -1.0 V vs. RHE in 0.5 M K2SO4 and 0.1 M KNO3 electrolyte. As a cathode in a Zn-NO3- battery with a polished Zn plate from spent Zn-C batteries as anode, it delivers a power density of 0.323 mW.cm-2 and NH3 FE of ∼79.9%. This study highlights a highly effective electrocatalyst for NO3RR and its potential in self-powered NH3 production.

Keyword: MnO2/MXene; Ammonia; NO3RR

Toàn văn bài báo tải về tại đây: https://doi.org/10.1016/j.isci.2025.112729

Một vài hình vẽ trong bài báo