能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家們誘導了一種二維材料，將自身作為原子“積木”，從而形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

    調(diào)查結(jié)果，為快速充電儲能和電子設(shè)備提供可能改進二維材料設(shè)計的見解。在我們的實驗條件下，鈦和碳原子可以自發(fā)地形成一個二維過渡金屬碳化物的原子薄層，這是以前從未觀察到的，“ORNL的夏漢說。他和ORNL的RaymondUnocic領(lǐng)導了一個小組，他們使用最先進的掃描透射電子顯微鏡（Stemm）和基于理論的模擬來進行原位實驗，以揭示這一機制的原子化細節(jié)。Unocic補充說：”這項研究的目的是確定原子級機制和動力學，這些機制和動力學負責形成二維過渡金屬碳化物的新結(jié)構(gòu)，從而為這類材料實現(xiàn)新的合成方法。“起始材料是一種叫做MXene的二維陶瓷（發(fā)音為”max en“）。與大多數(shù)陶瓷不同的是，MXenes是很好的導電材料，因為它們是由碳或氮組成的交替原子層，夾在過渡金屬中，如鈦。

    這項研究是流體界面反應、結(jié)構(gòu)和傳輸中心（第一）中心的一個項目，這是一個能源部能源前沿研究中心，旨在探索在日常應用中對能量傳輸有影響的流體-固體界面反應。科學家們進行了合成和表征先進材料的實驗，并進行了理論和模擬工作，以解釋觀察到的材料的結(jié)構(gòu)和功能特性。來自第一個項目的新知識為今后的研究提供了指導。這些實驗所用的高質(zhì)量材料是由德雷塞爾大學的科學家們以五層單晶單層MXene薄片的形式合成的。這些薄片來自一種名為”MAX“的母晶體，其中含有一種過渡金屬，以”M“表示；一種元素，如鋁或硅，以”A“表示；以及一個碳或氮原子，以”X“表示。研究人員使用酸性溶液蝕刻出單原子鋁層，剝落材料并將其分層為單個碳化鈦MXene（Ti3C2）的單層。

    ORNL的科學家們將一片大的MXene薄片懸浮在加熱芯片上，芯片上有孔，因此沒有支撐材料或襯底干擾片狀物。在真空條件下，懸浮片暴露于熱環(huán)境中，用電子束輻照，清洗MXene表面，充分暴露鈦原子層。MXenes通常是惰性的，因為它們的表面覆蓋著保護性官能團-氧、氫和氟原子，它們在酸剝落后仍然存在。當保護組被移除后，剩下的材料就會激活。原子級缺陷-”空位“鈦原子在蝕刻過程中被移除-暴露在單層的外層上。”這些原子空位是很好的起始點，“Sang說。”這對鈦是有利的，而且碳原子從有缺陷的地方移動到表面。“在有缺陷的區(qū)域，當原子遷移時，孔隙可能形成。

    Sang說：”一旦這些功能團消失了，現(xiàn)在剩下的是一個裸露的鈦層（以及下面是交替的碳、鈦、碳、鈦），可以在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上自由地重建和形成新的結(jié)構(gòu)。“高分辨率的STEM成像證明，原子從材料的一個部分移動到另一個部分來構(gòu)建結(jié)構(gòu)。因為物質(zhì)是以自身為食。

    賓夕法尼亞州立大學的Adri van Duin說：”這種生長機制完全得到了密度泛函理論和反應分子動力學模擬的支持，從而為利用這些理論工具確定合成特定缺陷結(jié)構(gòu)所需的實驗參數(shù)開辟了未來的可能性。“在大多數(shù)情況下，只有一層（碳和鈦）生長在表面上。隨著原子形成新的層，材料發(fā)生了變化。例如，Ti3C2變成了Ti4C3。Unocic說：”這些材料在離子傳輸方面是有效的，這很適合電池和超級電容器的應用。“”當我們在納米薄的MXene薄膜上添加更多的層時，離子傳輸是如何變化的？“這個問題可能會刺激未來的研究。

    德雷塞爾大學的尤里·戈戈西補充說：”由于含有鉬、鈮、釩、鉭、鉿、鉻和其他金屬的MXenes存在，因此有機會制造出各種新的結(jié)構(gòu)，其中含有三或四個以上的金屬原子在截面上（最大相產(chǎn)生的MXenes的當前極限）。“”這些材料可能表現(xiàn)出不同的有用特性，并為推進技術(shù)創(chuàng)造了一系列二維積木。“在ORNL納米材料科學中心（CNMS），于謝、孫偉偉和保羅·肯特進行了第一性原理理論計算，解釋了為什么這些材料一層地生長，而不是形成方形等交替結(jié)構(gòu)。李旭凡和小凱幫助理解了生長機制將表面能降到最低以穩(wěn)定原子構(gòu)型。賓州大學的科學家們進行了大規(guī)模的動態(tài)反應力場模擬，顯示了原子如何在表面重新排列，證實了缺陷結(jié)構(gòu)及其在實驗中觀察到的演化。

    研究人員希望新的知識能幫助其他人進步。材料產(chǎn)生有用的納米結(jié)構(gòu)。MXenes的金屬導電性和親水性已成為可充電電池和超級電容器的電極，以及光熱癌癥治療、電磁屏蔽、水凈化和氣體傳感等其他應用領(lǐng)域。在雜志上安格萬特化學，研究人員現(xiàn)在引進了一種新的生產(chǎn)方法。他們沒有使用傳統(tǒng)的、價格更昂貴的鈦鋁碳化物，而是選擇性地從碳化鈦（一種更便宜、更常見的前驅(qū)體）中蝕刻硅來合成碳化鈦。

    二維材料，由幾個原子厚度極薄的層組成，具有與普通的三維版本完全不同的獨特性質(zhì)。這方面的一個突出例子是石墨烯，它是由單層碳原子構(gòu)成的。2011年，在美國賓夕法尼亞州費城的Drexel大學合成了一種新的二維材料。這種材料被稱為MXenes，材料由過渡金屬碳化物和氮化物組成，其中M代表過渡金屬，如鈦、釩或鉬，X可以是碳和/或氮，而且有許多成分（大約30種已經(jīng)進行了實驗演示，預計還會有幾十種）。MXene就是其中之一碳化鈦Ti3C2.獲得所需的MXene通常需要一個迂回的過程：層狀碳化物和氮化物（稱為MAX相）被氫氟酸選擇性地蝕刻，以除去”A“元素的層數(shù)，A元素是13或14組元素，如鋁，硅，或鍺。這樣，從碳化鈦（Ti）中蝕刻出的鋁就可以得到碳化鈦。3阿爾克2）然而，這種原料昂貴，生產(chǎn)復雜。相比之下，硅模擬，鈦碳化硅（Ti）3碳化硅2），市面上可以買到，價格也比較便宜。鈦3碳化硅22011年，德雷塞爾第一次嘗試有選擇地蝕刻，但是僅僅用氫氟酸就合成失敗了，因為硅原子與相鄰的硅原子緊密地結(jié)合在一起。過渡金屬原子。德雷塞爾大學Yury Gogotsi領(lǐng)導的一個團隊已經(jīng)成功地改變了這一過程。通過添加氧化劑，研究人員可以削弱硅鍵并氧化硅。使用混合物氫氟酸研究小組還加入了一種氧化劑，如硝酸、過氧化氫或高錳酸鉀，通過選擇性地從鈦中除去硅來生產(chǎn)碳化鈦MXene。3碳化硅2.刻蝕過程中留下大量的碳化鈦，這些碳化鈦可以分層制成片狀，厚度約為1納米。研究人員用這種方法制作了靈活的、導電的。鈦碳化物薄膜的規(guī)模比較大。這種新的方法可以使MXenes的生產(chǎn)更加容易，并為新的MXenes及其相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)開辟了道路。二維材料從含硅前驅(qū)體開始，擴大了科學家和工程師可以獲得的二維納米片的家族。

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責任編輯：殷鵬飛

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