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天天快報!科研人員首次從原子尺度還原MXenes氧化的動力學過程

2023-06-26 00:34:10來源： 科技日報

(相關(guān)資料圖)

近日，吉林大學物理學院新型電池物理與技術(shù)教育部重點實驗室孟醒副教授團隊在二維過渡金屬碳化物/氮化物/碳氮化物(MXenes)氧化行為的理論計算研究方面取得重要進展，相關(guān)成果于2023年6月14日在線發(fā)表在《德國應(yīng)用化學》上。

MXenes因具有高導(dǎo)電性和豐富的表面官能團而被廣泛應(yīng)用于能源、電子器件、生物醫(yī)藥等各個領(lǐng)域。然而，MXenes在潮濕環(huán)境或水溶液中容易降解成為過渡金屬氧化物，這限制了它在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，如何合成化學穩(wěn)定性高的MXenes材料是當前亟待解決的關(guān)鍵科學問題。

在研究中，孟醒研究團隊對超大MXenes-水體系的氧化行為做了深入的理論計算研究。研究人員將機器學習和第一性原理計算相結(jié)合，實現(xiàn)了DFT精度下的納秒尺度的分子動力學模擬，首次從原子尺度還原了MXenes氧化的動力學過程，揭示了實驗上觀測到的MXenes氧化速率呈指數(shù)型衰減的本質(zhì)，闡明了MXenes在潮濕環(huán)境或水溶液下的氧化機制。

研究人員發(fā)展了MXenes-水體系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢函數(shù)，該勢函數(shù)在測試集上表現(xiàn)優(yōu)異，與DFT計算相比，能量和力的均方根誤差分別為2.35meV/atom和0.083eV/?。在徑向分布函數(shù)和振動態(tài)密度的性質(zhì)測試中，基于勢函數(shù)的MD模擬和AIMD模擬高度一致。MXenes-水體系的MD模擬結(jié)果顯示：水層越厚，單位水分子上的垂直氫鍵數(shù)目越多，水分子向MXenes基面移動越受限，導(dǎo)致過渡金屬原子和水中的氧原子之間的平均距離增加，使得MXenes的氧化速率隨著水層厚度的增加而減少。同時，MXenes的氧化會釋放自由質(zhì)子，質(zhì)子會和水形成典型的水合質(zhì)子，從而束縛水分子的運動，使得MXenes的氧化速率隨時間增加而減小。不同類型的過渡金屬原子和水中氧原子之間的平均距離，以及水分子在MXenes基面上的物理吸附概率，證明了MXenes表面存在氧化物保護層。

這些重要發(fā)現(xiàn)為合成高穩(wěn)定性的MXenes材料提供了理論指導(dǎo)。

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