Find en nål i en høstak:Opdagelse af Ti2InB2 til syntetisering af lagdelt TiB

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har brugt bor som X -element i en familie af materialer kaldet MAX -faser, til hvilket kun kulstof og nitrogen tidligere kunne bruges. En smart søgestrategi gav dem mulighed for at undgå at ty til forsøg og fejl for at designe dette nye materiale, hvorfra der kan opnås lagdelt TiB til applikationer i Li- eller Na-ion-batterier.

I betragtning af at der er snesevis af elementer i det periodiske system og tusindvis af mulige kombinationer, det er ingen overraskelse, at forskere griber til geniale måder at forudsige, hvilke forbindelser der kan syntetiseres i praksis og ville have gunstige egenskaber. En klasse af nyttige materialer omtales som "MAX faser". Disse er ternære forbindelser, der består af tre elementer repræsenteret af M, A og X, der udviser keramiske og metalliske egenskaber.

Disse forbindelser danner lagdelte strukturer, hvorfra "A-laget" kan ætses, efterlader det, der er kendt som 2-D MXenes. MXenes har tiltrukket stor opmærksomhed, fordi de kan antage en række former og strukturer og tilbyde fremragende kemisk og mekanisk stabilitet. Dette gør dem anvendelige på en lang række områder, såsom batterier og katalyse.

Unitl nu, MAX -forbindelser har været begrænset til at anvende kulstof eller nitrogen til X -elementet. Et forskerhold fra Tokyo Tech, ledet af prof. Hideo Hosono, undersøgte muligheden for at syntetisere MAX -faser sammensat af titanium, indium og bor:Ti ₂ InB ₂ . Motiveret af, at borider har lovende anvendelser inden for nanoelektronik, teamet forsøgte i sidste ende at syntetisere TiB-baserede MXenes.

Fordi direkte syntese af lagdelt TiB er umulig, holdet skulle først bestemme et A-element til syntetisering af en MAX-fase (dvs. det midterste element i Ti-A-B). Derefter skulle de finde en måde at ætse A-laget fra MAX-fasen for at opnå det eftertragtede lagdelte TiB. For at bestemme hvilke elementer der var egnede til A i MAX -fasen, de anvendte en smart automatiseret søgestrategi gennem computerassisterede beregninger. De analyserede først de "binære" strukturer dannet mellem hver af kandidaterne for A og enten TiB eller Ti ₃ B ₄ . Dem, der viste sig at være stabile, blev udsat for "ternære" beregninger til bestemmelse af den globale stabilitet af den ternære forbindelse.

En sidste verifikation med strukturpræcise beregninger med høj præcision blev udført for de bedste kandidater, som endelig pegede på Ti ₂ InB ₂ som den bedste løsning. Med denne strategi, de reducerede beregningsomkostningerne ved deres søgning og demonstrerede en smart tilgang til at finde ønskede ternære forbindelser. "En gennemførlig strategi for at forenkle søgningen efter ternære forbindelser baseret på den tilgængelige domænekendskab er meget efterspurgt, "forklarer Hosono.

Holdet demonstrerede, at Ti ₂ InB ₂ effektivt kunne syntetiseres, og derefter undersøgt muligheden for at fjerne In fra MAX -fasen for at opnå den ønskede MX -fase. Selvom teamet formåede at opnå lagdelt TiB fra MAX -fasen, dens struktur var ikke ligefrem kompatibel med den eksisterende 2-D MXenes. Imidlertid, ved at indstille de nødvendige betingelser for deres tilgang, forskerne mener, at det vil være muligt at få TiB MXene i fremtiden. Dermed, de udførte en række beregninger, der demonstrerede dets overlegne elektriske egenskaber, antyder dens potentielle anvendelse som et glimrende anodemateriale til lithium- eller natriumionbatterier. "Den nuværende forskning vil udvide den fascinerende klasse af MAX -faser og MXenes, "slutter Hosono.