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西工大新闻网5月24日电 5月23日,西北工业大学材料学院、凝固技术国家重点实验室王俊杰教授团队在Nature Communications(《自然·通讯》)发表研究论文,这一研究成果首次应用材料基因工程技术发现新型硼基MAX相Ti2InB2

MAX相是由Mn+1Xn单元与A原子面交替堆垛而成具有六方密排结构的层状材料,其中M为前过渡族金属,A主要为ⅢA和ⅣA主族元素,X为碳或氮。因M-X键与M-A键的强度不同,使A层可以被成功移除,可得被称为MXenes的二维材料。MAX和MXenes具有优良的物理化学和机械性能,在能量存储和催化方面有广泛的应用。但是,之前所发现的MAX相的主体元素都局限于碳或氮。能否打破碳或氮元素的限制,将MAX相以及MXenes的主体元素扩展到硼是困扰研究者的一大难题。

发现新型硼基三元MAX相的研究策略

由于含硼的三元化合物种类繁多,很难用传统的实验探索该庞大的三元化合物体系。王俊杰教授团队综合运用高通量结构预测等材料基因工程关键技术与针对性实验验证,在含硼的三元系统Ti-In-B中发现了常压下热力学稳定的三元化合物Ti2InB2。研究发现Ti2InB2的空间群是P-6m2,属于传统MAX相P63/mmc空间群的六方子群。

王俊杰教授说,该硼化物的结构和成分的独特性取决于硼元素的缺电子本质,基于其六方层状特征,故可将其归类为MAX相的一种新原型。通过与东京工业大学元素战略研究中心细野秀雄教授团队通力合作,王俊杰教授团队成功合成了该新型MAX材料Ti2InB2,并在真空条件下采取去合金化的方法In制备了层状硼化物TiB。进一步的理论预测结果表明,TiB单层表现出了比传统MXenes Ti3C2更优异的Li/Na离子电池应用潜力。

该研究所采用策略可以在具有MAX相潜力的系统中展开高效的筛选,相较传统试错法以及在三元化合物中直接展开高通量计算节省了大量资源。通过理论计算和实验验证相结合,该研究为MAX相扩展到硼基体系提供了一个清晰的范例,并有望为MAX相和MXenes这一引人注目的材料开辟新的研究领域。

相关成果以“Discovery of hexagonal ternary phase Ti2InB2and its evolution to layered boride TiB”为题发表在Nature Communications(《自然·通讯》),西北工业大学凝固技术国家重点实验室、材料基因组国际合作研究中心,分别为该文第一和第二作者单位。DOI:10.1038/s41467-019-10297-8,网址:https://www.nature.com/articles/s41467-019-10297-8.pdf。

学者简介

王俊杰,博士,西北工业大学材料学院教授,博士生导师。2002至2010年在西北工业大学分别获得学士、硕士和博士学位。

2010至2018年,先后在法国科研中心(CNRS)、比利时安特卫普大学(UA)、弗拉芒国家技术研究院(VITO)、日本国立物质材料研究机构(NIMS)、东京工业大学元素战略研究中心(MCES, Titech)进行科研工作。主要从事材料基因工程理论发展和应用领域研究,特别在发展新型功能、结构材料方面取得一系列创新研究成果。曾主持日本学术振兴会海外研究员项目(JSPS学者),并作为骨干成员参与法国国家科研署(ANR)和日本科学技术振兴机构(JST)的重点研究项目。2018年入选西北工业大学“翱翔海外青年学者”计划,全职回国加入ArtemR.Oganov教授领衔的材料基因组国际合作研究中心。现主持国家自然科学基金面上项目1项和中法“蔡元培”交流合作项目1项。截至目前,已在Nature Catalysis, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Chemistry of Materials等国际知名期刊发表SCI论文30余篇,研究成果被德国、英国和日本学术界及媒体广泛报道。

(审核:黄越)

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