Indagine teorica sui precursori dell'MXene MoxV4

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3271 (2023) Citare questo articolo

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Mediante i calcoli dell'energia totale dei principi primi, abbiamo studiato la stabilità termodinamica della soluzione solida MAX MoxV4-xAlC3 nell'intervallo 0 ≤ x ≤ 4. I risultati evidenziano che il parametro reticolare a aumenta in funzione del contenuto di Mo, mentre il parametro c raggiunge la sua massima espansione a x = 2,5. Successivamente, si nota una contrazione. Il Mo occupa i siti VI in modo casuale finché non si forma la lega Mo2V2AlC3 ordinata fuori dal piano. Abbiamo utilizzato il formalismo dell'energia di formazione dei difetti (DFE) per valutare la stabilità termodinamica delle leghe. I calcoli mostrano cinque composti stabili. In condizioni ricche di V e da condizioni ricche di Mo a condizioni moderate di Mo, il V4AlC3 MAX incontaminato è stabile. Nella regione delle condizioni di V-povero, da condizioni di crescita ricche di Mo a moderate di Mo, le soluzioni solide con x = 0,5, 1 e 1,5 e o-MAX Mo2V2AlC3 sono termodinamicamente stabili. I profili di linea della funzione di localizzazione elettronica e l'analisi della carica di Bader mostrano che l'interazione VC è principalmente ionica, mentre quella Mo-C è covalente. Inoltre, l'energia di esfoliazione per ottenere uno strato di MXene è ~ 0,4 eV/Å2. DFE mostra anche che gli MXeni esfoliati dalla fase MAX con lo stesso contenuto di Mo e la stessa disposizione atomica sono termodinamicamente stabili. I nostri risultati consentono una comprensione più profonda su scala atomica delle prove sperimentali precedentemente riportate.

I composti MAX sono una famiglia di carburi, nitruri o carbonitruri di metalli di transizione precoce a strati esagonali con formula generale Mn+1AXn1, dove M è un metallo di transizione precoce, A è tipicamente un atomo del gruppo da 13 a 16 e X è carbonio/azoto, con n = 1, 2 e 3. A seconda del numero di strati M, la notazione abbreviata può essere 211, 312, 413, con n = 1, 2 o 3, rispettivamente. Inoltre, negli ultimi anni, sono stati sintetizzati con successo i composti MAX di ordine superiore (n > 3), come Ti7SnC62, Ta6AlC53, (Ti0.5Nb0.5)5AlC44, (V0.5Cr0.5)5Al2C35 e Mo4VALC46. I composti MAX presentano una combinazione di proprietà metalliche e ceramiche. Hanno un'elevata conduttività elettrica e termica e proprietà tribologiche. Sono lavorabili a macchina e presentano un'elevata tolleranza ai danni e resistenza agli shock termici. Inoltre, la loro forza rimane alle alte temperature7,8,9,10,11,12,13. Grazie alle loro proprietà, i composti MAX possono essere impiegati nella catalisi14,15, nei reattori nucleari16,17 e come rivestimenti protettivi ad alta temperatura18. I composti MAX con Al come elemento A, come Ti2AlC, Cr2AlC e Ti3AlC2, sono buoni candidati per applicazioni ad alta temperatura poiché forniscono un'elevata resistenza all'ossidazione e formano uno strato protettivo di allumina (Al2O3)19,20,21. Inoltre, i composti MAX sono i precursori degli MXeni bidimensionali scoperti nel 201122,23.

Gli Mxeni vengono esfoliati dalla fase MAX del precursore attaccando selettivamente l'elemento A. Possiedono proprietà eccellenti che li rendono materiali adatti per molte applicazioni. L'anno scorso è stata ottenuta la prima prova di ferroelettricità e multiferroicità in Mxeni a temperatura ambiente24. Per la produzione di idrogeno attraverso la scissione dell'acqua, i catalizzatori bifunzionali Mo2TiC2 e Mo2Ti2C3 hanno dimostrato prestazioni eccezionali in mezzi alcalini25. Il Ti4C3 Mxene è un elettrodo per applicazioni di memoria supportate da carbonio basate su strutture Ti4C3/ossido di grafene/Ti4C326, con eccellenti caratteristiche di ritenzione e resistenza. Per quanto riguarda i dispositivi di accumulo dell'energia, la lega a doppio ordine Ti2Ta2C3 è un elettrodo efficiente nelle batterie agli ioni di litio, migliore dell'originale Ti4C3 Mxene27,28. Inoltre, alcuni rapporti suggeriscono proprietà di conservazione migliorate degli Mxeni combinandoli con ZrO2, MnO2 e droganti metallici, come Ni. In alcuni casi, i materiali modificati possono raddoppiare la capacità rispetto ai materiali originali. Inoltre, la loro capacità è maggiore dell'81% fino a 10.000 cicli29,30,31.