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科研人员首次从原子尺度还原MXenes氧化的动力学过程

科技日报记者 杨仑。科研

近日,首次吉林大学物理学院新电池物理与技术教育部重点实验室孟醒副教授团队在二维过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物中(MXenes)2023年6月14日,从原尺度氧化行为理论计算研究取得重大进展,还原相关成果在《德国应用化学》上发表。氧化

MXenes因其导电性高、力学表面官能团丰富而被广泛应用于能源、过程电子设备、科研生物医学等领域。首次然而,从原尺度MXenes很容易在潮湿的还原环境或水溶液中降解为过渡性金属氧化物,这限制了它在各个领域的氧化应用。因此,力学如何合成化学稳定性高的过程MXenes材料是当前亟待解决的关键科学问题。

孟醒研究团队对超大MXenes-水系统的科研氧化行为进行了深入的理论计算研究。研究人员将机器学习与第一原理计算相结合,实现了DFT精度下纳秒尺度的分子动力学模拟,首次从原子尺度还原了MXenes氧化的动力学过程,揭示了MXenes氧化率在潮湿环境或水溶液下的氧化机制。

研究人员开发了MXenes-水系统的神经网络势函数,在测试集中表现良好。与DFT计算相比,能量和力的均方根误差分别为2.35mev/atom和0.083ev/Å。在径向分布函数和振动密度的性质测试中,基于势函数的MD模拟与AIMD模拟高度一致。MXenes-水系统的MD模拟结果表明,水层越厚,单位水分子上的垂直氢键越多,水分子向MXenes基面的移动越有限,导致过渡金属原子与水中氧原子的平均距离增加,随着水层厚度的增加,MXenes的氧化速率降低。同时,MXenes的氧化会释放自由质子,与水形成典型的水合质子,从而束缚水分子的运动,随着时间的推移降低MXenes的氧化速率。过渡金属原子与水中氧原子的平均距离,以及MXenes基面上水分子的物理吸附概率,证明了MXenes表面有氧化物保护层。

这些重要发现为合成高稳定性MXenes材料提供了理论指导。

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