Med strategin avbildad, det var möjligt att genomföra en teoretisk sökning med tusentals initiala kandidater för att äntligen få de bästa två MAX-faserna för den potentiella syntesen av TiB MXenes, som har lovande tillämpningar inom områden som nanoelektronik. Kredit:Nature Communications
Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har använt bor som X-elementet i en familj av material som kallas MAX-faser, för vilka tidigare endast kol och kväve kunde användas. En smart sökstrategi gjorde det möjligt för dem att undvika att tillgripa försök och misstag för att utforma detta nya material, från vilken skiktad TiB kan erhållas för tillämpningar i Li- eller Na-jonbatterier.
Med tanke på att det finns dussintals element i det periodiska systemet och tusentals möjliga kombinationer, det är ingen överraskning att forskare tar till geniala sätt att förutsäga vilka föreningar som kan syntetiseras i praktiken och som skulle ha gynnsamma egenskaper. En klass av användbara material hänvisas till som "MAX faser". Dessa är ternära föreningar som består av tre element representerade av M, A och X som uppvisar keramiska och metalliska egenskaper.
Dessa föreningar bildar skiktade strukturer från vilka "A-skiktet" kan etsas, lämnar efter sig vad som kallas 2-D MXenes. MXenes har väckt stor uppmärksamhet eftersom de kan ta ett antal former och strukturer och erbjuder utmärkt kemisk och mekanisk stabilitet. Detta gör dem tillämpbara inom en mängd olika områden, som batterier och katalys.
Unitl nu, MAX-föreningar har begränsats till att använda kol eller kväve för X-elementet. En forskargrupp från Tokyo Tech, ledd av Prof. Hideo Hosono, studerat möjligheten att syntetisera MAX-faser bestående av titan, indium och bor:Ti 2 I B 2 . Motiverad av det faktum att borider har lovande tillämpningar inom nanoelektronik, teamet försökte slutligen syntetisera TiB-baserade MXenes.
Eftersom direkt syntes av skiktad TiB är omöjlig, teamet var först tvungen att bestämma ett A-element för att syntetisera en MAX-fas (det vill säga mittelementet i Ti-A-B). Sedan skulle de behöva hitta ett sätt att etsa A-skiktet från MAX-fasen för att få det eftertraktade skiktade TiB. För att bestämma vilka element som var lämpliga för A i MAX-fasen, de använde en smart automatiserad sökstrategi genom datorstödda beräkningar. De analyserade först de "binära" strukturerna som bildades mellan var och en av kandidaterna för A och antingen TiB eller Ti 3 B 4 . De som visade sig vara stabila utsattes för "ternära" beräkningar för att bestämma den globala stabiliteten för den ternära föreningen.
En slutlig verifiering med strukturella beräkningar med hög precision utfördes för de bästa kandidaterna, som slutligen pekade på Ti 2 I B 2 som det bästa alternativet. Med denna strategi, de minskade beräkningskostnaden för sin sökning och visade ett smart tillvägagångssätt för att hitta önskade ternära föreningar. "En genomförbar strategi för att förenkla sökningen efter ternära föreningar baserat på den tillgängliga domänkunskapen är mycket efterfrågad, " förklarar Hosono.
Teamet visade att Ti 2 I B 2 effektivt kan syntetiseras, och undersökte sedan möjligheten att ta bort In från MAX-fasen för att erhålla den önskade MX-fasen. Även om teamet lyckades få skiktad TiB från MAX-fasen, dess struktur var inte exakt kompatibel med den hos befintliga 2-D MXenes. Dock, genom att anpassa de nödvändiga villkoren för deras tillvägagångssätt, forskarna tror att det kommer att vara möjligt att få tag i TiB MXene i framtiden. Således, de utförde ett antal beräkningar som visade dess överlägsna elektriska egenskaper, antyder dess potentiella användning som ett utmärkt anodmaterial för litium- eller natriumjonbatterier. "Denna forskning kommer att utöka den fascinerande klassen av MAX-faser och MXener, " avslutar Hosono.
