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第一作者：Yumiao Tian, Pengfei Hou
通讯作者：Quan Li, Fei Du, Aleksandra Vojvodic, Jianzhong Wu, Xing Meng
通讯学校：吉林大学
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54455-z
摘要
本研究深入探讨了MXenes在不同电位条件下的氧化行为及其抗氧化策略。通过使用恒定电位从头算模拟，我们从动力学和热力学的角度揭示了MXenes在电化学过程中的氧化特性。研究结果表明，水分子对金属原子的亲核攻击是MXenes氧化的潜在机制，类似于氧进化反应（OER）。基于这些发现，我们推导出了常见MXenes的氧化电位，并提出了抗氧化策略。此外，我们还探讨了MXenes的硼类似物MBenes在水环境中可能的亲核攻击行为，并推断分子诱导的Walden反转在材料重构中普遍存在。本工作为理解MXenes在原子水平上的稳定性提供了基础，并促进了材料发现从试错合成向合理设计的转变。
研究成果
研究团队通过理论计算和模拟，首次揭示了MXenes在水环境中的氧化行为与电极电位的依赖性。研究发现，MXenes的氧化过程涉及水分子对金属原子的亲核攻击，这一过程与OER类似。通过热力学分析，研究者们确定了MXenes的氧化电位，并提出了有效的抗氧化策略。此外，研究还发现MBenes可能在水环境中经历类似的亲核攻击，表明分子诱导的Walden反转在材料重构中可能是一种普遍现象。
论文亮点
1.电位依赖性氧化机制：首次从理论上阐明了MXenes氧化行为与电极电位之间的关系，为MXenes的稳定性研究提供了新的视角。
2.抗氧化策略：基于对氧化机制的理解，提出了有效的抗氧化策略，对于提高MXenes在实际应用中的稳定性具有重要意义。
3.MBenes的类比研究：通过对比MXenes和MBenes的氧化行为，揭示了材料氧化过程中的普遍规律，为材料设计提供了新的思路。
4.分子诱导的Walden反转：提出了分子诱导的Walden反转在材料重构中的普遍性，为理解材料在分子层面上的结构变化提供了新的理论基础。
图文导读
图1：V2CO2氧化的无约束动态模拟快照。
图2：水中原位MXene氧化的反应机理。
图3：随后氧攻击的动力学分析。
图4：氧化过程的热力学分析。
图5：氧化的Pourbaix图。
结论
本研究通过理论计算和模拟，深入理解了MXenes在水环境中的氧化行为及其与电极电位的依赖性。研究结果不仅为MXenes的稳定性提供了新的理论基础，也为设计新型抗氧化材料提供了指导。此外，研究还揭示了MBenes可能的氧化行为，为理解材料在分子层面上的结构变化提供了新的视角。
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