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魔方“轉”出新材料 中科院寧波材料所新成果登上《Science》 

發布時間:2023/08/18

隨著時代發展,人類對多功能新材料的需求愈發迫切。

  作為一種人工合成新材料,MAX相兼具金屬材料和陶瓷材料的優良特性,在高鐵電弓、高溫隔熱罩、耐磨涂層等領域有著良好的應用前景。不過,這類材料的制備一直是個難題。

  中科院寧波材料所研究員黃慶帶領團隊提出一種新方法,可以像“扭轉魔方”一般,創制出許多常規路徑無法合成的新型MAX相和MXene材料。這不僅拓寬了這類材料的應用范圍,還為材料合成帶來了無窮想象力。北京時間3月17日,該研究成果正式發表在《Science》雜志上。

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元素周期表匯總了組成MAX相和MXene的元素種類。淺藍色為M位元素,土褐色為A位元素,黑色為X元素,綠色為端基元素,圈出元素為文章中已開展實驗驗證的元素。 圖源:中科院寧波材料所

  特別的人工合成材料

  金屬與陶瓷“強強聯合”,會產生怎樣的化學反應?

  作為一種特別的人工合成材料,MAX相材料一直是材料領域的研究熱點之一。黃慶介紹,M代表前過渡金屬元素;A代表ⅢA和ⅣA主族元素;X代表碳、氮或硼。M、A、X中的三類元素經過不同排列組合,能構成各式各樣的MAX相材料。

  得益于獨特的納米層狀晶體結構,這類材料既能像金屬一樣導電、導熱,柔軟易加工,具有較高的韌性;又像陶瓷一般,具有抗氧化、耐高溫、耐輻射腐蝕等特性。這使其在高鐵電弓、高溫加熱元件、渦輪機葉片、高溫隔熱罩、耐磨涂層等領域表現出極大的應用前景。

  如若抽掉A元素,MAX相材料便會衍生為一種新型材料MXene。據了解,MXene的原子排列方式與石墨烯相似,在光電器件、電化學儲能、電磁屏蔽、表面催化、分離膜等領域極具應用潛力。

  不過,在M、A、X三類原材料中,部分元素并不相容。讓它們“和平共處”,并制備出具有特定功能的高質量材料,是個難題。

  扭轉魔方般制備新材料

  化學元素的組分、結構,決定著材料的性能。

  為了適應不同領域的應用需求,科學家們希望能精確調控MAX相和MXene材料的微觀結構,制備出具有特定功能的新材料。

  早在2019年,黃慶團隊就提出了一種綠色制備技術,首次成功合成了鋅MAX相材料?!爸暗墓ぷ髌鋵嵤怯靡话丫哂醒趸缘摹瘜W剪刀’,刻蝕層間的元素,即裁減我們需要調控的元素?!秉S慶說。

  元素被刻蝕后,能否被重新組裝?為了驗證這個猜想,黃慶團隊進行了多次實驗。終于,他們發現金屬這種還原性的“化學剪刀”可以將二維的MXene材料重新組裝成三維的MAX相材料。

  黃慶解釋,MAX相材料如同積木塊,由M、A、X三類元素從左往右依次拼接而成。過去,想要剪裁中間的A元素,科學家需要將三個積木塊拆分,相當于粉碎整個化學結構,才能將居中的A元素“取”出來。

  而他們提出的新策略類似于“扭轉魔方”,微微扭轉三層魔方的中間層,無需破壞原有結構,A元素便被剝離了。將代表新元素的魔方塊再扭轉到原有位置,MAX相材料就實現了“同晶置換”。

  “這種方法能為很多材料的合成、材料結構的構筑提供一個新思路?!秉S慶說。

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黃慶在指導研究生 圖源:中科院寧波材料所

  為材料研究帶來無窮想象力

  化學“魔方”不斷變換組合,為材料研究帶來了無窮的想象力。

  借助“化學剪刀”輔助的結構編輯方法,黃慶團隊制備出了一系列常規方法無法合成的新型MAX相材料。

  其中,非傳統A位元素的引入,如磁性元素和貴金屬等,有望將其從高溫結構領域拓展到功能應用領域,如磁性、光電、催化、超導等。

  采用該方法,黃慶團隊還得到了一系列新型MXene材料,有望促進MXene在催化、儲能、電磁屏蔽等領域的進一步應用。

  “這為材料合成打開了一條新的道路,是一個方向性的成功?!敝袊茖W院院士、中科院寧波材料所先進能源材料工程實驗室首席科學家柴之芳解釋,這種方法,如同根據每個人的“口味”制作三明治。兩片面包中,可以添加不同的食材,如雞肉、魚片、生菜等,讓大家各取所需。

  “很多備受關注的重要材料都可以嘗試用這種方法合成,我相信它在未來受到的關注和應用面會越來越廣?!秉S慶說。

 


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