国内科学家发现新型MAX相材料 具有优异的弹性性能且毒性小-贤集网

来自 : www.xianjichina.com/special/de 发布时间：2021-03-25

4月12日，记者了解到，中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室研究员陈小龙、郭丽伟、副研究员金士锋和博士生陈洪祥等，基于结构设计，开始了对于含有多层化MA层的MAX相的探索。在含有As、P元素的三元体系中发现了分子式为Mn+1AnX（n=2）的MAX系列新相，包括Nb3As2C、Nb3P2C、Ta3P2C和V3As2C，简称321相。
通过X射线衍射结构解析与高分辨电子显微图像，确定了其晶体结构。该系列材料空间群为P63/mmc，结构均含有MA三棱柱与MX八面体的结构基元，晶体结构可以看作由两层三棱柱配位的MA层与单层八面体配位的MX层交替排列而成，不同于含有单层MA结构基元的传统MAX（Mn+1AXn）相。 MAX相是一类分子式为Mn+1AXn的非范德瓦尔兹型层状化合物，其中M为过渡族金属，包括Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf或Ta，A为主族元素Al、Si、P、S、Ga、Ge、As、Cd、In、Sn、Tl和Pb，X为C或N元素。该系列材料因其优异的综合热学、电学以及力学性能已在很多领域获得应用，尤其是在高温导电部件与高温结构部件领域，受到了广泛的关注。近年来，MAX相通过室温腐蚀等方法去掉主族元素A，可以方便地获得一系列准二维材料MXenes，在储能材料中有着很好的应用前景，也成为材料领域的研究热点之一。
MAX相(包括Ti3SiC2、Ti2AlC等)是一种备受关注的新型可加工陶瓷材料。
这种材料包括五十几种三元碳化物或氮化物。M代表过渡金属元素;A代表主族元素;X代表碳或氮。其中Ti3SiC2的研究最广泛。Ti3SiC2由美国Drexel大学的Barsoum教授课题组于1996年用热压法合成,并且发现了其优异的性能。由于独特的纳米层状的晶体结构,这类材料具有自润滑、高韧性、可导电等性能。这类材料可以广泛的应用为高温结构材料,电极电刷材料,化学防腐材料和高温发热材料。1996年之后,与这类材料相关的研究在日本、欧洲和中国广泛开展。
MAX相的研究起始于20世纪60年代，至今已经有70余种MAX相被相继发现，其晶体结构可看作是由单层三棱柱配位的MA层与n层八面体配位的MX层交替排列而成，根据不同的n值，存在有M2AX相、M3AX2相与M4AX3相，即211相、312相与413相。费米面附近的能带主要来自MX层的贡献，这是其金属导电的主要原因，AX层主要是起到性能调控作用。在该系列材料中MX八面体层可以为多层，含有多层MA层的MAX目前尚未有报道。
该团队与中科院高能物理研究所研究员李晓东和博士杨栋梁合作，通过高压同步辐射X射线衍射，发现Nb3As2C在高达47 GPa的压力下仍保持着晶体结构的稳定性，并通过不同晶胞体积随着压力变化，得出Nb3As2C具有高达225(3) GPa的体积模量，该数值为所有MAX相中最高的之一，与第一性原理计算结果相符。其中Nb3P2C的性能最优，剪切模量EV = 371.8 GPa, 弹性模量GV = 152.0 GPa。该材料毒性小、密度低，具有潜在的应用前景。
321相是第一个具有化学式为Mn+1AnX相（n 1）的MAX系列新相，其发现证明了多层MA也可以与MX结合形成一类全新的MAX。其独特的晶体结构以及优良的力学性能值得继续深入探究，并为人们探索新MAX相提供了新的思路。同时也为合成新的MXenes准二维材料提供了可能。
相关研究成果发表在《德国应用化学》上（Angew. Chem. Int. Ed. 2019 58(14) 4576——4580, doi:10.1002/anie.201814128）。该工作受到国家自然科学基金（51532010, 91422303）、中科院前沿科学重点研究项目（QYZDJ-SSW-SLH013）以及中科院战略性先导科技专项（XDB07000000）的支持。 图1：MAX相家族：传统Mn+1AXn相与新系列Mn+1AnX相的晶体结构。 图2：Nb3As2C的晶体结构

文章来源： 物理研究所

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