7月28日,东北大学在《Advanced Materials》上发表题为“Rare-Earth (R) In-Plane Ordering in Novel (Mo, R, Nb)4AlC3 Quinary o-MAX Nanolaminates and their 2D Derivatives”的论文,报道新型 (Mo, R, Nb)4AlC3 五元 o-MAX 纳米层压材料及其二维衍生物中的稀土 (R) 面内排序。
MXene因其较大的比表面积、较好的金属导电性能、表面丰富的官能团(-F、 -OH 和=O 等)、令人满意的亲水性和显露的电负性等优点,在能源储存与转化、催化、电磁干扰屏蔽和生物医疗等领域具有极大的应用潜力,已成为世界各地研究人员的热门话题。因其通过拓扑化学法刻蚀MAX相得到,所以MXene的成分在很大程度上依赖于MAX母相的晶体结构与元素搭配,因而开拓探索更多种类MAX相,是研究相应MXene性能及应用的前提。
近年来,MAX相的蓬勃发展,离不开元素取代导致的有序占位所做的贡献。目前为止,当某种特定元素在M位合金化时,可以得到两种有序结构的MAX相,分别为层间有序和面内有序。一般认为层间有序通常产生在n ≥ 2,而面内有序只出现在n =
1的体系中;是否可以在高n的MAX相中也实现有序占位,从而构造出新的MAX体系,抑或从结构堆垛的角度出发,(M1,M2)n+1AlCn型o-MAX相可以认为是将若干层FCC型M2C的(111)原子面插入M12AlC型211相的两个M1层间而构成。
对此,科研团队在实验证实为层间有序的Mo2Nb2AlC3 o-MAX相的Mo外层中引入稀土R(=Y, Gd-Tm, Lu)而形成特定物相,稀土原子具有特定化学比:R: (Mo+Nb+R) = 2/3 : 4,化学通式可写为Mo1.33R0.67Nb2AlC3;通过晶体结构表征发现,稀土原子可以有序占据外层Mo六角的中心位,形成类似i-MAX相中的原子构型,因而晶体对称群为Cmcm;这种Mo/Nb层间有序、Mo/R面内有序的新奇占位进一步被原子级EDS证实,这种超有序新相被命名为s-MAX相;实际上,该物相中外层Mo与内层Nb原子会产生互占位,因而在很宽的Mo、Nb成分范围内都能够成相;同时,由于稀土元素参与成相,主相比例比四元o-MAX相显著提高。
该研究提出了继o-MAX和i-MAX后又一有序相,拓宽了稀土有序占位的纳米层状碳化物体系,并对其进行了详细的结构表征;通过第一性原理解释其形成机制;初步探索了该体系在超级电容器中的应用,研究了有序空位对MXene在储能和催化领域的影响。这将大大激发研究人员对稀土有序MAX相和MXene家族的进一步探索。