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科學家發現新型MAX相及其優異的彈性性能

文章來源:物理研究所   發布時間:2019-04-12  【字號:     】  

  MAX相是一類分子式為Mn+1AXn的非范德瓦爾茲型層狀化合物,其中M為過渡族金屬,包括Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf或Ta,A為主族元素Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、Cd、In、Sn、Tl和Pb,X為C或N元素。該系列材料因其優異的綜合熱學、電學以及力學性能已在很多領域獲得應用,尤其是在高溫導電部件與高溫結構部件領域,受到了廣泛的關注。近年來,MAX相通過室溫腐蝕等方法去掉主族元素A,可以方便地獲得一系列準二維材料MXenes,在儲能材料中有著很好的應用前景,也成為材料領域的研究熱點之一。

  MAX相的研究起始于20世紀60年代,至今已經有70余種MAX相被相繼發現,其晶體結構可看作是由單層三棱柱配位的MA層與n層八面體配位的MX層交替排列而成,根據不同的n值,存在有M2AX相、M3AX2相與M4AX3相,即211相、312相與413相。費米面附近的能帶主要來自MX層的貢獻,這是其金屬導電的主要原因,AX層主要是起到性能調控作用。在該系列材料中MX八面體層可以為多層,含有多層MA層的MAX目前尚未有報道。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析實驗室研究員陳小龍、郭麗偉、副研究員金士鋒和博士生陳洪祥等,基于結構設計,開始了對于含有多層化MA層的MAX相的探索。在含有As、P元素的三元體系中發現了分子式為Mn+1AnX(n=2)的MAX系列新相,包括Nb3As2C、Nb3P2C、Ta3P2C和V3As2C,簡稱321相。通過X射線衍射結構解析與高分辨電子顯微圖像,確定了其晶體結構。該系列材料空間群為P63/mmc,結構均含有MA三棱柱與MX八面體的結構基元,晶體結構可以看作由兩層三棱柱配位的MA層與單層八面體配位的MX層交替排列而成,不同于含有單層MA結構基元的傳統MAX(Mn+1AXn)相。

  該團隊與中科院高能物理研究所研究員李曉東和博士楊棟梁合作,通過高壓同步輻射X射線衍射,發現Nb3As2C在高達47 GPa的壓力下仍保持著晶體結構的穩定性,并通過不同晶胞體積隨著壓力變化,得出Nb3As2C具有高達225(3) GPa的體積模量,該數值為所有MAX相中最高的之一,與第一性原理計算結果相符。其中Nb3P2C的性能最優,剪切模量EV = 371.8 GPa, 彈性模量GV = 152.0 GPa。該材料毒性小、密度低,具有潛在的應用前景。

  321相是第一個具有化學式為Mn+1AnX相(n>1)的MAX系列新相,其發現證明了多層MA也可以與MX結合形成一類全新的MAX。其獨特的晶體結構以及優良的力學性能值得繼續深入探究,并為人們探索新MAX相提供了新的思路。同時也為合成新的MXenes準二維材料提供了可能。

  相關研究成果發表在《德國應用化學》上(Angew. Chem. Int. Ed. 2019 58(14) 4576~4580, doi:10.1002/anie.201814128)。該工作受到國家自然科學基金(51532010, 91422303)、中科院前沿科學重點研究項目(QYZDJ-SSW-SLH013)以及中科院戰略性先導科技專項(XDB07000000)的支持。

 

圖1:MAX相家族:傳統Mn+1AXn相與新系列Mn+1AnX相的晶體結構。

 

圖2:Nb3As2C的晶體結構




(責任編輯:葉瑞優)

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