洪恒飞高晓静科技日报记者江耘
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*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。
*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)
(来源:科技日报)
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