1-11、新型二维过渡金属硼化物（MBene）：未来锂离子电池

和电催化材料

孙志梅^1,2

1.北京航空航天大学材料科学与工程学院，2.北京航空航天大学国际交叉科学研究院, 集成计算材料工程中心

摘要：二维晶体材料如石墨烯、单层BN和单层过渡金属硫化物等在众多领域展现出卓越的应用潜力。这些二维材料的体相通常是具有弱范德瓦耳斯力结合的层状结构，这种晶体结构及化学键特征使得二维晶体相较容易地从体相中剥离，而且，此类二维的材料已经在理论和实验方面获得了非常充分的研究。与这类范德瓦耳斯力层状材料不同，有些层状材料的亚晶格是通过较强的化学键结合，如层状六方过渡金属碳/氮化物MAX相的亚晶格是通过较强的金属/共价/离子键结合，因此，剥离法制备相应的二维晶体是很困难的。MAX相的基本化学式为Mn+1AXn，其中M是过渡金属，A是ⅢA或ⅣA元素，X是C或者N，n=1~3。MAX相的结构可以描述为Mn+1Xn亚晶格与A（通常为Al）层交替堆垛排列。MAX相中的M-X 键兼具化学/金属/离子键属性，键的强度较大；M-Al键则为强度相对较弱的金属键。幸运的是，利用MAX相中M-Al键的强度显著弱于M-X键这一特性，采用化学剥离法可以从MAX相材料中合成大量的二维过渡金属碳化物（MXene）。这类二维过渡金属碳/氮化物MXene是迄今为止最大的二维材料家族，在超级电容器和电子器件等领域中展现了潜在应用前景。

受MXene启发，为了探索新型的二维材料，我们基于以下两个标准对非范德瓦尔斯力材料进行了高通量的理论筛选：1）体相具有层状堆垛排列结构；2）亚晶格具有显著差异的化学键和键能。通过对现有材料数据库的筛选，我们确定了一类过渡金属硼化物(MB)2Aly(MB2)x（M为Cr、Mo、W、Fe、Mn或者其固溶体，其MB层亚晶格与Al层交替堆垛排列，并且M-Al的键强显著弱于M-B键。在此基础上，我们利用第一原理计算预测了一类新型的二维过渡金属硼化物（并首次将其命名为MBene），MBene可以通过化学剥离MAB相材料中的A层获得，并探索了通过MAB相材料合成MBene的基本思路和微观机理。进一步的研究结果表明：MBene具有较好的稳定性、较大且各向同性的弹性模量和良好的电子输运性质；其中，Mo₂B₂和Fe₂B₂ MBene对锂离子具有较小且各向同性的迁移能量势垒和较大的理论比容量，是潜在的锂离子电池电极材料；Fe₂B₂ MBene对析氢反应具有卓越的催化性能。我们理论预测的Mo₂B₂和Cr₂B₂ MBene已经分别被国外和国内的实验科学家制备出来（Journal of the American Chemical Society, 140, 8833-8840, 2018；Journal of Materials Science & Technology, 34, 2022–2026, 2018），并展现了潜在的应用价值。我们这项工作不仅将极大的促进新型二维晶体材料的实验制备和应用研究，同时也很好的展示了材料高通量理论设计对新材料研发的促进作用。

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.111