تركّز المرعي في بحوثها على تقنيات تنقية المياه، من خلال دمج الأطر العضوية التساهمية (COFs) داخل أنظمة الترشيح. وهي تعمل على تطوير أساليب تحفيزية صديقة للبيئة تعتمد على الإنزيمات والطاقة الشمسية، لتفكيك الملوّثات بالكامل أو تحويلها إلى مركّبات غير سامة، وقابلة للتحلّل الحيوي. وإلى جانب تنقية المياه، توظّف المرعي الأطر العضوية التساهمية في تطبيقات التشخيص الطبي، حيث تصمّم مستشعرات كهروكيميائية عالية الحساسية للكشف عن مؤشرات الأمراض، وتمكين المراقبة في مراحلها المبكرة. فيما تشمل ابتكاراتها المشتركة مستشعرًا لقياس الغلوكوز بقدرة كشف تبلغ مستوى الأتومولار (attomolar) وهو حاليًا في مرحلة ما قبل تقديم طلب براءة الاختراع. ويتميّز هذا المستشعر بقدرته على رصد التغيّرات الدقيقة جدًا في تركيز الغلوكوز بحساسية غير مسبوقة، ما يتيح التشخيص المبكر للمرض.