西安交大科研团队开发高通量线形规划算法预测全新层间有序双过渡金属MAX相材料合成前景取得重要成果

作为二维过渡金属碳氮化物(MXene)的前驱体，新型MAX相材料的出现也将直接促进新型MXene的合成，而后者在诸多领域的应用如离子电池及超级电容器电极材料、热电转换材料、光电转换及传感材料等获得了广泛关注。

本工作开发了基于第一性原理晶体结构热力学简谐近似模型的高通量线性规划优化算法，针对43种潜在的o-MAX相材料的合成热力学进行了研究。研究结果表明：相比于M'2M"2AlC3型o-MAX结构，M'2M"AlC2型o-MAX更具合成前景，且过高的烧结温度并不利于M'2M"2AlC3型o-MAX相的制备；就反应热力学角度而言，大多数o-MAX相可通过非元素单质粉末冶金方法制得较纯净目标产物；少数o-MAX相(Cr2TaAlC2, Nb2HfAlC2, Nb2TaAlC2, Nb2Hf2AlC3, Nb2Ta2AlC3, Mo2V2AlC3和Mo2Ta2AlC3)或由于典型烧结温度(1700 K)下热力学不稳定或由于竞争反应过于强势难以合成。

本工作进一步结合线性规划算法，针对热力学稳定或亚稳定的o-MAX相设计了旨在最大程度减少杂质的制备路径，并进一步探索了优化路径下寄生竞争反应对合成前景的影响。研究结果表明，除Cr2TaAlC2、Nb2HfAlC2、Nb2TaAlC2、Nb2Hf2AlC3、Nb2Ta2AlC3、Mo2V2AlC3和Mo2Ta2AlC3外，其他o-MAX相均可在制得高纯度产物。

相关研究成果以《非常规方法合成层间有序双过渡金属“312”和“413”MAX相（o-MAX）热力学：高通量线性规划第一性原理研究》（Thermodynamics for the non-conventional synthesizing of out-of-plane ordered double-transition metal “312” and “413” MAX phases (o-MAX): A high throughput linear programing first-principles calculation）为题日前在线发表在国际材料学权威期刊《材料科学与技术》（Journal of Materials Science and Technology）上。论文的第一作者为电气学院博士生冯向辉，西安交通大学肖冰教授为通讯作者，论文第一单位为西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室和电气工程学院。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2022.06.034