MXenes家族又添新成员，两种高熵MXenes的合成TiVNbMoC3Tx和TiVCrMoC3Tx

背景

二维(2D)过渡金属碳化物和氮化物（MXenes），是一种快速增长的二维材料。MXenes的化学式为Mn+1XnTx(n=1-4)，其中2D薄片由具有n +1(n=1-4)个碳/氮层交错的过渡金属原子层组成，同时还具有不同末端基团，例如-O、-F和-OH。在过去十年中，已经有30多种MXene被成功合成，而更多的已经通过计算方法进行了研究。但迄今为止，在MXene的组成中仍仅限于存在一种或两种过渡金属。

全文导读

鉴于此，美国普渡大学的Babak Anasori教授等人通过引入四种过渡金属，首次报道了多元素高熵M4C3Tx MXenes的合成。具体来说，作者介绍了两种新型高熵MXene，即TiVNbMoC3Tx和TiVCrMoC3Tx，以及它们的高熵MAX相前驱体：TiVNbMoAlC3和TiVCrMoAlC3。作者通过X射线衍射、X射线光电子能谱、能量色散X射线能谱和扫描透射电子显微镜等多种表征方法来研究了高熵MAX和MXene相中四种过渡金属的结构、相纯度和等摩尔比分布。并且通过使用第一性原理计算来计算形成能，探索这些高熵MAX相的可合成性。研究结果还表明，当使用三种而不是四种过渡金属时，在与四过渡金属MAX相类似的合成条件下，可以形成两种不同的MAX相（即，没有纯单相形式）。这一发现表明构型熵在制备单相高熵MAX相方面的重要性，这对于合成纯相高熵MXenes起到至关重要的作用。高熵MXenes的合成大大扩展了MXenes家族的组成多样性，并进一步拓展了MXenes在电子、磁性、电化学、催化、高温稳定性和机械行为方面的性质。相关论文成果以“High-Entropy 2D Carbide MXenes: TiVNbMoC3 and TiVCrMoC3”为题与2021年6月15日发表在ACS NANO上。

图1所示：合成高熵MAX相和MXenes的示意图。(a)高熵MAX相的烧结，具有等化学计量摩尔比的元素粉末混合物在管式炉内的氧化铝坩埚中烧结。(b)左图为具有Ti（粉红色）、V（橙色）、Nb/Cr（蓝色）、Mo（绿色）、Al（红色）和C（黑色）元素的MAX相晶胞（M1M2M3M4AlC3）。右图为合成的具有层状过渡金属层的MAX相，由四种过渡金属元素组成，以及M4AlC3 MAX相结构中的铝（红色）和碳（黑色）原子层。(c)氢氟酸选择性蚀刻铝层以合成多层高熵MXenes，MXenes表面上的末端基团(Tx)以黄色显示。(d)通过有机分子的嵌入，使多层MXenes分层得到单层高熵MXenes，即TiVNbMoC3Tx和TiVCrMoC3Tx。

图2所示：高熵MAX相和MXenes的XRD图。(a)TiVNbMoAlC3 MAX相和所得的TiVNbMoC3Tx MXenes的XRD图。(b)TiVCrMoAlC3 MAX相和所得的TiVCrMoC3Tx MXenes的XRD图。图中说明了从MAX相前体（底部图案）到剥离的多层MXenes（中间图案），然后到分层为单层或少层MXenes薄片（顶部图案）的衍射峰变化。每个图片的插图说明了从MAX相到单层或少层MXenes的演变过程中(002)峰的移动。

图3所示：高熵MAX和MXenes的SEM图。(a)TiVNbMoAlC3和(b)TiVCrMoAlC3显示了典型的MAX相碳化物的结构。(c)TiVNbMoC3Tx和(d)TiVCrMoC3Tx为经过蚀刻后的多层MXenes粉末，具有手风琴状形貌，这是由于在高浓度HF中从MAX相选择性蚀刻Al层而形成的。(e)氧化铝基板上的单片TiVNbMoC3Tx MXenes。(f)通过真空辅助过滤制备得到的TiVCrMoC3Tx MXenes薄膜。

图4所示：高熵MXenes的XPS、STEM以及EDS结果。(a-f) TiVNbMoC3Tx和TiVCrMoC3Tx的XPS谱图。(g,h)在XPS中测得的两种MXenes的原子百分比与Ar+蚀刻时间关系图，表明各种原子在MXenes内层的均匀分布。(i)TiVNbMoC3Tx MXenes的高角度环形暗场(HAADF) STEM图像。(j)TiVNbMoC3Tx（顶部）和TiVCrMoC3Tx（底部）的HAADF STEM和EDS结果表明了材料的层状形貌以及Ti、V、Nb/Cr、Mo和C元素的均匀分布。

展望

本文成功合成了两钟高熵MAX相（TiVNbMoAlC3和TiVCrMoAlC3），并将它们转化为具有等摩尔比例的含主要过渡金属的高熵MXenes（TiVNbMoC3Tx和TiVCrMoC3Tx）。通过使用传统的无压反应烧结形成高熵MAX相，并利用基于氢氟酸的选择性蚀刻和四甲基氢氧化铵的分层方法，合成了两种单层到少层的高熵MXenes。通过XRD、SEM和STEM确认了高熵MAX相，以及由它们刻蚀得到的单层和少层高熵MXenes的成功合成和纯度。此外，作者使用XPS确认了高熵MXenes的键合特性，通过STEM的EDS元素映射进一步确定了MXenes中过渡金属的等摩尔比分布。作者通过第一性原理计算，将四元高熵MAX相的可合成性追溯到熵驱动的稳定性，并强调了高构型熵在形成多主元素MAX相的纯相和稳定相中的重要性。这种奇特的高熵多主元素MXenes的成功合成为不断增长的MXenes家族增加了巨大的可能性，可以探索其在极端环境中的能量存储、催化和微观结构稳定性等应用。

该研究工作为进一步的研究奠定了基础，未来的研究重点可以是对更多高熵MAX相的组成及其衍生MXenes的综合分析，以使用计算和实验方法进一步分析稳定的组成。此外，了解MXenes的每个过渡金属层的组成作用也可以在未来定制它们的电化学、催化、电和磁性能方面发挥重要作用。多组分过渡金属的某些选择可以进一步促进拓扑绝缘体MXene的开发，虽然目前该拓扑绝缘体材料尚未合成，但在理论研究中已预测。

本信息源自互联网仅供学术交流 如有侵权请联系我们立即删除