[發(fā)明專利]一種預(yù)測低維MXenes可合成性的理論方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011277601.9
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112861303A
• 公開（公告）日: 2021-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王夢;李少晗;孫維威;于金;李慧
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/18
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 曹坤

本發(fā)明公開了一種預(yù)測低維MXenes可合成性的理論方法。屬于低維材料性質(zhì)模擬計算領(lǐng)域，該方法首先通過建模軟件構(gòu)建多種MAX相模型，然后運用VASP軟件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和靜態(tài)自洽計算，得到每個系統(tǒng)的能量值和電子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，接著從兩個角度定義剝離能，并以剝離能從理論上待預(yù)測MAX材料的剝離難度。最后運用VASP軟件進行非靜態(tài)自洽計算，繪制體系的態(tài)密度圖和電荷密度圖，分析材料屬性和成鍵強度，篩選出理論上可合成的低維MXenes組成。本發(fā)明避免了傳統(tǒng)的實驗試錯法，為低維MXenes材料合成的可能性提供了理論預(yù)測方法，有效地縮短了研發(fā)周期和成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明低維材料性質(zhì)模擬計算領(lǐng)域，具體涉及一種剝離低維材料MXenes的計算方法。

背景技術(shù)

隨著人類科技水平的提高，人類對材料的性能提出了更高的要求，這些都極大程度上促進了對新材料的研究與發(fā)展。MAX相是一類新型高性能的三元層狀陶瓷材料，其中M代表的是過渡態(tài)金屬(Sc、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta或Mo),“A”則代表元素周期表Ⅲ、Ⅳ主族的元素(Al、Ga、In、Tl、Si、Ge、Sn、Pb、P、As、Bi、S或Te),“X”則是碳或者氮，并且n可以從1到4，而目前也有實驗和計算數(shù)據(jù)表面MAX相可以有更高n數(shù)的結(jié)構(gòu)。這類材料綜合了傳統(tǒng)陶瓷材料和金屬材料的許多優(yōu)點，包括低密度、高模量、良好的導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能、抗熱震性、抗損傷容限性以及優(yōu)良的抗高溫氧化性能等，因而引起了廣泛的關(guān)注。

最近幾年，MAX相的低維衍生物MXenes，二維碳/氮化合物被發(fā)現(xiàn)，并且展現(xiàn)出了良好的導(dǎo)電性和親水性，是極其有潛力的儲能材料。目前，研究表面將MXenes作為鋰/鈉離子電池電極材料和超級電容器電極材料，并且密度泛函理論計算表明Li離子可以插層到多層Ti₃C₂層間。其次，MXenes可以制備成透明導(dǎo)電薄膜使用，應(yīng)用在太陽能電池、柔性屏幕等方面。再者，低維MXenes材料可以作為潤滑材料或吸附材料使用。由于MAX相中M-A鍵是較弱的金屬性質(zhì)，層間鍵能相較于范德華力連接的層狀材料更大，截至目前不能夠通過剪切或任何類似的機械手段破壞來制備MXenes相。事實上，人們基于M-A鍵與M-X鍵在性質(zhì)和相對強度上的差異，實驗上通過化學(xué)手段選擇性地蝕刻A層，保留M-X基本單元從而構(gòu)成低維MXenes材料。低維MXenes可以為多層，也可以通過超聲震蕩剝離法將其剝離為單層或少層。

隨著更多新的MAX相結(jié)構(gòu)被提出，在MXenes的制備過程中，需要解決一個至關(guān)重要的問題，即哪些MAX相可以較易被成功刻蝕為低維MXenes。由于MXenes的制備工藝、成本問題等因素對其實驗研究產(chǎn)生較大的局限，運用計算機模擬研究MXenes相的理論方法被提出，且該方法已被大量實驗證明其可行性以及可靠性。MXenes相的化學(xué)刻蝕過程非常復(fù)雜，在模擬過程中很難考慮所有的因素，如何有效合理的計算MAX相的層間作用力，尋找較小作用力的M-A和穩(wěn)定的M-X組合成為理論預(yù)測的關(guān)鍵問題。大量計算模擬研究通過研究原子間作用力和剝離能的大小來簡化處理MXenes合成問題的核心，而成功剝離MAX相的必要條件是M與X元素的成鍵強度遠大于M與A元素的成鍵強度，才能破壞A原子層與MXenes之間的鍵合作用，將A原子層剝離出MAX相。通過剝離能計算，一方面可以對現(xiàn)有的實驗結(jié)果進行解釋；另一方面可以預(yù)測未來可能穩(wěn)定存在的MXenes相，對于其相關(guān)實驗也具有指導(dǎo)意義。