Investigação teórica dos precursores do MXene MoxV4

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3271 (2023) Citar este artigo

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Por cálculos de energia total de primeiros princípios, investigamos a estabilidade termodinâmica da solução sólida MAX MoxV4-xAlC3 na faixa de 0 ≤ x ≤ 4. Os resultados evidenciam que o parâmetro de rede a aumenta em função do teor de Mo, enquanto o parâmetro c atinge sua expansão máxima em x = 2,5. Depois disso, uma contração é notada. Mo ocupa locais VI aleatoriamente até que a liga Mo2V2AlC3 ordenada fora do plano seja formada. Empregamos o formalismo Defect Formation Energy (DFE) para avaliar a estabilidade termodinâmica das ligas. Os cálculos mostram cinco compostos estáveis. Em condições ricas em V e de condições ricas em Mo a moderadas em Mo, o V4AlC3 MAX puro é estável. Na região de condições V-pobres, de condições de crescimento ricas em Mo para moderadas em Mo, as soluções sólidas com x = 0,5, 1 e 1,5 e o o-MAX Mo2V2AlC3 são termodinamicamente estáveis. Os perfis de linha da função de localização de elétrons e análise de carga de Bader mostram que a interação VC é principalmente iônica, enquanto a Mo-C é covalente. Além disso, a energia de esfoliação para obter uma camada de MXene é de ~ 0,4 eV/Å2. DFE também mostra que MXenes esfoliados da fase MAX com o mesmo teor de Mo e arranjo atômico são termodinamicamente estáveis. Nossos resultados obtêm uma compreensão mais profunda da escala atômica das evidências experimentais relatadas anteriormente.

Os compostos MAX são uma família de carbonetos, nitretos ou carbonitretos de metais de transição precoce em camadas hexagonais com fórmula geral Mn+1AXn1, onde M é um metal de transição precoce, A é tipicamente um átomo do grupo 13 a 16 e X é carbono/nitrogênio, com n = 1, 2 e 3. Dependendo do número de M camadas, a notação abreviada pode ser 211, 312, 413, com n = 1, 2 ou 3, respectivamente. Além disso, nos últimos anos, os compostos MAX de ordem superior (n > 3) foram sintetizados com sucesso, como Ti7SnC62, Ta6AlC53, (Ti0.5Nb0.5)5AlC44, (V0.5Cr0.5)5Al2C35 e Mo4VAlC46. Os compostos MAX exibem uma combinação de propriedades metálicas e cerâmicas. Eles têm alta condutividade elétrica e térmica e propriedades tribológicas. São usináveis, apresentam alta tolerância a danos e resistência a choques térmicos. Além disso, sua resistência permanece em altas temperaturas7,8,9,10,11,12,13. Graças às suas propriedades, os compostos MAX podem ser empregados em catálise14,15, em reatores nucleares16,17 e, como revestimentos protetores de alta temperatura18. Os compostos MAX com Al como elemento A, como Ti2AlC, Cr2AlC e Ti3AlC2, são bons candidatos para aplicações em altas temperaturas, pois apresentam alta resistência à oxidação e formam uma camada protetora de alumina (Al2O3)19,20,21. Além disso, os compostos MAX são os precursores dos MXenes bidimensionais descobertos em 201122,23.

Os Mxenes são esfoliados da fase precursora MAX, gravando seletivamente o elemento A. Eles possuem excelentes propriedades tornando-os materiais adequados para muitas aplicações. No ano passado, foram obtidas as primeiras evidências de ferroeletricidade e multiferroicidade em Mxenes à temperatura ambiente24. Para a produção de hidrogênio através da separação da água, os catalisadores bifuncionais Mo2TiC2 e Mo2Ti2C3 demonstraram excelente desempenho em meio alcalino25. O Ti4C3 Mxene é um eletrodo para aplicações de memória com suporte de carbono baseado em estruturas Ti4C3/óxido de grafeno/Ti4C326, com excelentes características de retenção e resistência. Sobre os dispositivos de armazenamento de energia, a liga de ordem dupla Ti2Ta2C3 é um eletrodo eficiente em baterias de íon-lítio, melhor que o Ti4C3 puro Mxene27,28. Além disso, alguns relatórios sugerem melhores propriedades de armazenamento dos Mxenes combinando-os com ZrO2, MnO2 e dopantes metálicos, como o Ni. Em alguns casos, os materiais modificados podem dobrar a capacitância em comparação com os materiais originais. Além disso, sua capacitância é maior que 81% até 10.000 ciclos29,30,31.