科學(xué)家們在一系列稱為MAX相的材料中使用硼作為X元素

東京工業(yè)大學(xué)(東京工業(yè)大學(xué))的科學(xué)家們在一系列稱為MAX相的材料中使用硼作為X元素，之前只能使用碳和氮。巧妙的搜索策略使他們能夠避免使用反復(fù)試驗(yàn)來設(shè)計(jì)這種新型材料，從中可以獲得層狀TiB，用于鋰離子電池或鈉離子電池。

考慮到元素周期表中有許多元素和數(shù)千種可能的組合，研究人員采用巧妙的方法來預(yù)測哪些化合物可以在實(shí)踐中合成并且具有有利的性質(zhì)也就不足為奇了。一類有用的材料被稱為“MAX階段”。這些是由M，A和X表示的三種元素組成的三元化合物，具有陶瓷和金屬性質(zhì)。

這些化合物形成層狀結(jié)構(gòu)，從中可以蝕刻“A層”，留下所謂的2-D MXenes。MXenes引起了很多關(guān)注，因?yàn)樗鼈兛梢圆捎枚喾N形式和結(jié)構(gòu)，并提供出色的化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性。這使它們適用于各種領(lǐng)域，例如電池和催化劑。

現(xiàn)在，Unitl，MAX化合物僅限于使用碳或氮作為X元素。來自東京理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)由Hideo Hosono教授領(lǐng)導(dǎo)，研究了合成由鈦，銦和硼組成的MAX相的可能性：Ti 2 InB 2。由于硼化物在納米電子學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，該團(tuán)隊(duì)最終尋求合成基于TiB的MXenes。

由于不可能直接合成分層TiB，因此該團(tuán)隊(duì)首先必須確定用于合成MAX相的A元素(即Ti-AB中的中間元素)。然后他們必須找到一種方法從MAX相蝕刻A層以獲得令人垂涎的層狀TiB。為了確定哪些元素適合MAX階段的A，他們通過計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算采用了一種聰明的自動搜索策略。他們首先分析了A和TiB或Ti 3 B 4的每個(gè)候選物之間形成的“二元”結(jié)構(gòu)。證實(shí)穩(wěn)定的那些經(jīng)受“三元”計(jì)算以確定三元化合物的整體穩(wěn)定性。

對最佳候選者進(jìn)行了高精度結(jié)構(gòu)計(jì)算的最終驗(yàn)證，最終將Ti 2 InB 2作為最佳選擇。通過這種策略，他們降低了搜索的計(jì)算成本，并展示了一種尋找所需三元化合物的巧妙方法。“基于現(xiàn)有領(lǐng)域知識簡化三元化合物搜索的可行策略是非常需要的，”Hosono解釋道。

該團(tuán)隊(duì)證明了Ti 2 InB 2可以有效地合成，然后探索了從MAX相中去除In以獲得所需MX相的可能性。盡管該團(tuán)隊(duì)確實(shí)設(shè)法從MAX 階段獲得分層TiB，它的結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的2-D MXenes的結(jié)構(gòu)不完全兼容。然而，通過調(diào)整其方法的必要條件，研究人員相信將來可以獲得TiB MXene。因此，他們進(jìn)行了大量計(jì)算，證明了其優(yōu)異的電性能，暗示其作為鋰離子電池或鈉離子電池的優(yōu)異陽極材料的潛在應(yīng)用。“目前的研究將擴(kuò)展迷人的MAX階段和MXenes，”Hosono總結(jié)道。