科學家一直致力將二維的超薄材料應用於再生能源技術，以提升效率。近期，美國德州農工大學（Texas A&M University）在低維化合物MXene的研究方面取得突破，發現它能以更永續的方式將空氣轉化為氨，為未來製造肥料和運輸燃料鋪平道路。
MXene是一種由過渡金屬與碳化物、氮化物或碳氮化物組成的二維材料，具有高導電性、高比表面積和可調控表面基團等優異特性。特別是「氮化MXene」的電催化性能，要顯著優於常見的碳化MXenes。這些特性使其能針對各種再生能源應用進行最佳化，有望取代傳統昂貴的金屬催化劑。
儘管氮化MXene表現優異，但科學界對於其在電催化過程中結構如何演變，還缺乏根本理解。特別是「晶格氮」的反應性，如何影響材料在溶劑中的振動特性，以及這對電催化有何具體影響仍是未解之謎。
為了釐清MXene的作用機制，美國德州農工大學化學工程系團隊利用共焦拉曼光譜技術深入研究，最終揭開了鈦基氮化MXenes在原子層面上的反應機制。這項研究成果發表在《美國化學學會雜誌》。
研究團隊發現，當鈦基氮化MXenes浸泡到水、丙酮、乙醇等「極性溶劑」時，其拉曼振動模式會出現顯著衰減，甚至完全消失，光譜上僅剩背景溶劑的訊號。不過，一但溶劑揮發、材料乾燥後，其拉曼特徵峰又會恢復。
除此之外，若將材料浸入正己烷、辛烷等「非極性」的碳氫化合物溶劑時，拉曼特徵峰訊號依然清晰可見。這兩種情況證實了拉曼訊號的消失，並非單純因為「液體覆蓋」或光學折射，而是與溶劑的化學性質（極性）密切有關。
為了進一步驗證「晶格氮」是出現此現象的主要原因，研究團隊合成碳氮化MXene、氮摻雜的碳化MXene，對它們進行比較測驗。結果顯示，只要氮原子引入碳化物結構，材料在極性溶劑中就會出現與純氮化物相同的訊號消失。這證明了，「晶格氮」是控制MXene與光交互作用的關鍵開關。
研究團隊推測，這是因為晶格氮原子與極性溶劑分子（水中的氧、氫）形成強氫鍵網絡，改變了材料表面的電子結構和極化率，進而導致拉曼訊號改變。
這項特性對於氨氣的合成至關重要。研究過程中，他們利用磁力共振（NMR）發現，氮化MXenes進行氮還原反應（NRR）時，並非只有表面吸附氮氣參與，而是晶格氮直接參與。原因是，晶格氮被質子化形成氨氣釋放後，會在表面留下氮空位，隨後吸取空氣中的氮氣填補空位，以完成催化循環。
研究人員表示，這是首次系統性揭示鈦基氮化MXenes的振動特性，可以通過溶劑極性進行調控。未來將繼續研究，希望找到更多相關應用，因為掌握這些機制有助於提升催化效率，並有望代替那些貴金屬催化劑，實現低成本和低碳排的「氨經濟」。
德州農工大學化學工程教授阿卜杜拉耶‧吉雷（Abdoulaye Djire）對該校新聞室表示，「這次研究加深了我們對於材料運作機制的理解。我們證明通過質子化和補充晶格氮，可實現氨的電化學合成，未來將把這些知識應用於化學品與燃料生產。」
德州農工大學化學工程系博士候選人雷伊‧余（Ray Yoo）表示，「MXene是理想的過渡金屬基替代材料，特別是氮化MXene在電催化領域的性能，相比於研究廣泛的碳化MXene有了顯著提升。」
本研究得到了美國陸軍司令部的能源科學能力建構計劃的資助（計劃編號：W911NF-24-1-0208）。#
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向每位救援者致敬
願香港人彼此扶持走過黑暗
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