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化学剪刀”置换元素 MAX材料合成解锁新图谱

文章来源：中国高新网更新时间：2023-03-20 15:18:19

用一把特制工具，不需要拆解整个魔方，就能巧妙地抽取、替换其中的方块组件?在微观材料领域，类似的工具已然成真。

　　3月19日，记者从中科院宁波材料所获悉，该院黄庆研究员团队联合美国德雷塞尔大学和瑞典林雪平大学科研人员，提出一种利用路易斯酸熔盐和还原性金属作为“化学剪刀”的插层策略，创制出了更多常规合成路径无法实现的新型MAX相和MXene材料。相关论文发表于国际期刊《科学》。

　“化学剪刀”辅助的层状过渡金属碳化物的结构编辑策略示意图。

　　MAX相是指一类具有六方晶体结构的纳米层状化合物，由元素周期表上的M、A、X三类元素构成，因此被统称为“MAX相”。其晶体结构由过渡金属碳氮化物层(MX层)和A位原子层交替堆叠而成，从而兼具金属材料和陶瓷材料的特性，在高铁电弓、高温加热元件、涡轮机叶片、耐磨涂层等应用领域有极大的应用前景。

　　据介绍，MAX相材料在抽掉A元素之后会衍生为一种新型二维碳氮化物材料MXene。 MXene具有与石墨烯相似的原子排列方式，而且晶格组分和表面端基丰富可调，在光电器件、电化学储能、电磁屏蔽、表面催化、分离膜等领域极具应用潜力。

　　元素周期表汇总了组成MAX相和MXene的元素种类。浅蓝色为M位元素，土褐色为A位元素，黑色为X元素，绿色为端基元素，圈出元素为文章中已开展实验验证的元素。

　　已有研究证明，MAX相材料存在A位原子晶格位精确置换行为。科研人员介绍，精确调控MAX相和MXene材料二维层间的组分和结构，是制约其实现特定功能应用的重大挑战。

　　“打个比方，通过调控组分、结构来实现特点功能，就像把三明治中间的一层换掉，口味和营养价值就不同了。” 科研人员介绍，但考虑到MAX相的晶体结构，操作难度类似于将魔方表面中间位置的方块单独取出、替换，再缝合好，实现对材料性能的调控。

　　科研人员介绍，路易斯酸熔盐和金属这两瓣刀片各有妙用，分别具备氧化性和还原性，打开MAX相或MXene的层间，相当于转动魔方的中间方块，然后引入不同的客体插层物质，即金属原子和阴离子等来进行层间插层，相当于将特定魔方方块放入中间方块。

　　联合团队利用这一“化学剪刀”策略辅助的结构编辑方法，极大丰富了目标物质的元素组成和微观结构，最终得到一系列A位元素含有传统元素(铝、稼、铟和锡)和非传统元素(铋、锑、铁、钴、镍等)的MAX相材料。

　　黄庆介绍，非传统A位元素的引入，如磁性元素和贵金属等，有望将MAX材料的合成研究从高温结构领域拓展到磁性、光电、催化、超导等功能应用领域。

　　(中科院宁波材料所供图)

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