Nature Communications揭示MXenes高温稳定性的秘密：碱金属离子如何影响相变和缺陷控制！
文摘
2024-11-14 07:31
青海
【研究背景】
过渡金属碳化物是由于其高熔点、优良的热导率和卓越的机械性能而在许多独特应用中表现出色。然而，现有研究表明，这些材料在实际应用中仍面临精确控制相稳定性的问题，这对其在能源和极端环境下的性能至关重要。特别是，在高温环境下，过渡金属碳化物的相行为复杂且难以预测，这使得其应用受到限制。为了应对这一挑战，近年来科学家们开始关注通过调节材料的缺陷结构和表面化学来提高其相稳定性。为了解决这些问题，美国普渡大学Babak Anasori教授等人提出了利用碱金属离子修饰过渡金属碳化物的策略，以优化其相稳定性。在一系列实验中，科学家们发现碱金属离子能够有效地占据过渡金属原子空位，从而稳定材料的晶体结构，尤其是在高温下。这一发现不仅提高了MXenes等二维材料在高温下的稳定性，还为其在极端环境下的应用提供了新的可能性。此外，研究还表明，碱金属离子对MXenes相变的调控能力可以显著改善其高温性能，为未来的高性能材料设计奠定了基础。![]()
【研究亮点】
1.实验首次证明了碱金属离子倾向于占据Ti3C2Tx MXene基面上的过渡金属原子空位，揭示了这些离子的优先占据位点。2.实验通过：通过结合原位X射线衍射（XRD）、扫描透射电子显微镜（STEM）技术，以及外部原子层分辨的二次离子质谱（SIMS）、热重分析（TGA）和X射线光电子能谱（XPS）方法，并配合密度泛函理论（DFT）模拟，我们观察到以下结果：l碱金属离子在Ti3C2Tx MXene的基面缺陷位点的占据有助于高温下相变的控制，有效地稳定了MXenes的结构。l在Mo2TiC2Tx MXene中，我们建立了γ-Mo2C晶体在相变后的缺陷区域周围的局部性，并通过碱金属离子抑制了γ-Mo2C在缺陷位点的生长。l碱金属离子的引入不仅减缓了MXenes在高温下的相变，还显著减少了相变过程中碳的损失，提高了材料的稳定性。【图文解读】
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图1：层层SIMS分析过度刻蚀的Ti3C2Tx上装饰的碱金属阳离子。![]()
图2：通过碱金属阳离子稳定缺陷来控制Ti3C2Tx MXene的相。![]()
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图4：阳离子占据及阳离子装饰的Mo2TiC2Tx的相行为。【研究结论】
本文的研究揭示了碱金属离子在过渡金属碳化物MXenes中的重要作用，特别是在相变控制和结构稳定性方面。首先，通过占据Ti3C2Tx MXene基面上的过渡金属原子空位，碱金属离子有效地调控了MXenes的相变行为，延缓了高温下的相变过程，减少了碳的损失，提升了材料的稳定性。其次，在Mo2TiC2Tx MXene中，碱金属离子抑制了γ-Mo2C在缺陷位点的生长，进一步证明了其在复杂结构中的调节能力。这些发现为过渡金属碳化物在极端环境中的应用提供了新的视角，特别是在高温稳定材料的开发上。通过使用碱金属离子进行缺陷工程，可以有效地控制MXenes的相稳定性和性能。这一研究不仅加深了我们对MXenes及其复合材料的理解，也为未来在能源存储、催化和超高温陶瓷等领域的应用奠定了基础。未来的研究可以进一步探索其他金属离子在二维材料中的作用，以及如何通过离子工程优化材料性能以满足更广泛的应用需求。原文详情：Wyatt, B.C., Boebinger, M.G., Hood, Z.D. et al. Alkali cation stabilization of defects in 2D MXenes at ambient and elevated temperatures. Nat Commun 15, 6353 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-50713-2👉 点击左下角“阅读原文”，即可直达原文！💖
