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二维材料,登上Science头条,被Nature亮点报道!

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近年来,高熵材料因其独特的性能和潜在应用备受关注,然而关于熵与焓在其结构稳定性和短程有序中的作用一直存在争议。尤其是在所谓“高熵”材料中,熵是否足以克服焓的不利影响,实现真正的无序态,仍是一个未解之谜。MAX相和MXene作为层状材料的重要代表,为研究多元素材料中的有序-无序转变提供了理想平台。


为此,普渡大学Babak Anasori教授范德比尔特大学JiangDe-en教授宾夕法尼亚大学Aleksandra Vojvodic教授Zahra Fakhraai教授德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授和波兰lukasiewicz研究网络研究所Paweł P. Michałowski教授合作研究通过合成40种含有2至9种过渡金属的M₄AlC₃层状碳化物,并结合理论与实验手段,揭示了熵与焓在驱动有序-无序转变中的竞争机制。研究发现,在低熵和中熵条件下,过渡金属仍倾向于保持短程有序;而当金属种类达到七种及以上时,熵的贡献足以克服焓的偏好,实现完全无序。该研究还进一步将这类MAX相转化为二维MXene材料,并探究了其表面性质和电学行为的变化。相关论文以“Order-to-disorder transition due to entropy in layered and 2D carbides”为题,刊登在Science上。


2011年,德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授首次报道合成了第一种MXene。2021年,普渡大学Babak Anasori教授团队成功制备出含四种金属的MXenes,这让他们开始思考:"能否突破这个极限?能否超越四种元素?"该成果成功让二维材料家族的成员数量翻倍,甚至成功将创纪录的九种金属嵌入单一材料中。这项成果令研究人员兴奋不已,因为它为设计大量奇特而实用的物质开辟了道路。当MXenes中含有七种及以上金属时,熵(系统无序度)似乎战胜了焓,使得材料更容易接纳原本难以融入的成分。该成果被Nature以“Chemists cram record nine metals into trendy 2D material”为题,作为研究亮点报道。小编:这么说,科研人员又有饭吃了?


研究人员首先通过密度泛函理论(DFT)计算了不同过渡金属在M₄AlC₃结构中的M′(外层)和M″(内层)位点偏好。结果显示,Cr、Mo、W等第6族元素倾向于占据M′位,而Ti、Zr、Hf等第4族元素则偏好M″位。这一趋势与先前对二元和高熵MAX相的研究一致。随着金属种类的增加,构型熵逐渐增大,计算预测当引入第七种金属时,系统将发生有序向无序的转变。


图1:M₄AlC₃ MAX相中焓与熵竞争导致有序-无序转变的示意图。(A)假设随熵增加,无序度增加。(B)不同过渡金属对在M′或M″位点中的形成能差异。(C)M₄AlC₃ MAX相的形成能(相对于稳定凸包线)与构型熵的关系,显示在七种金属附近发生熵驱动转变。误差棒代表标准偏差。

在实验方面,研究团队成功合成了包含2至9种过渡金属的M₄AlC₃相,并通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析(EDS)证实了元素的均匀分布。为了精确解析原子层级的占位偏好,他们采用了动态二次离子质谱(SIMS)技术,并定义参数α以量化元素对M′或M″位点的偏好。结果表明,在四金属体系中,占位偏好与双金属体系一致;而当金属数量增至五或六种时,|α|值逐渐减小;超过七种金属后,|α|趋近于零,表明系统达到完全无序状态。


图2:含2至9种过渡金属的M₄AlC₃相的合成与分析。(A)混合元素与合成方法示意图。(B)目标M₄AlC₃ MAX相的晶体结构。(C)(TiVCrZrNbMoHfTaW)₄AlC₃ MAX相颗粒的电子显微镜图像。(D)该颗粒的元素分布图,显示所有九种过渡金属和铝的存在。(E)SIMS测量显示的过渡金属在不同金属总数下的位点偏好。(F)|α|随金属数量增加而下降。(G)|α|的标准偏差随金属数量增加而下降。误差棒代表标准偏差。

进一步地,研究人员将这些MAX相转化为二维MXene材料(M₄C₃Tₓ),并通过X射线光电子能谱(XPS)分析了其表面终止基团(–O、–OH、–F)的变化。发现随着金属种类增加,–O终止基的比例上升,而–OH和–F的比例下降。DFT计算表明,第4族元素偏好F终止,第6族元素偏好O终止,且亚表面金属层的价电子浓度(VEC)对表面化学具有显著影响。

在电学性能方面,所有MXene均保持金属导电性。有趣的是,随着金属种类增加,电阻率呈现先升后降的趋势,并在九金属体系中达到最低值(0.01 Ω·cm)。红外发射率测试也显示出类似变化趋势,与电阻率下降一致。研究人员推测,无序化减少了第6族元素之间的邻近效应,并使得价电子数分布更均匀,从而提高了电子迁移率。


图3:含2至9种过渡金属的M₄C₃Tₓ MXene的合成、表面化学与性能。(A)从M₄AlC₃ MAX相合成MXene的流程示意图。(B)不同过渡金属对在M₄C₃Tₓ中对O与F终止的形成能差异。(C、D)分别显示Ti、V、Mo原子上O和F终止含量与M″层价电子浓度(VEC)的关系。(E)含不同数量金属的MXene的电阻率变化。(F)在7 μm波长下的红外发射率随金属数量变化。误差棒代表实验不确定性。

该研究不仅明确了熵在驱动高熵材料无序化中的关键作用,还为设计新型多功能MXene材料提供了重要指导。未来研究需进一步考虑电负性、原子尺寸、电子结构以及氧替代等因素对有序-无序转变的影响,并开发高通量方法以加速材料筛选与优化。

来源:高分子科学前沿

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