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科技日報記者 楊侖

近日，吉林大學物理學院新型電池物理與技術教育部重點實驗室孟醒副教授團隊在二維過渡金屬碳化物/氮化物/碳氮化物（MXenes）氧化行為的理論計算研究方面取得重要進展，相關成果于2023年6月14日在線發(fā)表在《德國應用化學》上。

MXenes因具有高導電性和豐富的表面官能團而被廣泛應用于能源、電子器件、生物醫(yī)藥等各個領域。然而，MXenes在潮濕環(huán)境或水溶液中容易降解成為過渡金屬氧化物，這限制了它在各個領域的應用。因此，如何合成化學穩(wěn)定性高的MXenes材料是當前亟待解決的關鍵科學問題。

在研究中，孟醒研究團隊對超大MXenes-水體系的氧化行為做了深入的理論計算研究。研究人員將機器學習和第一性原理計算相結合，實現(xiàn)了DFT精度下的納秒尺度的分子動力學模擬，首次從原子尺度還原了MXenes氧化的動力學過程，揭示了實驗上觀測到的MXenes氧化速率呈指數(shù)型衰減的本質，闡明了MXenes在潮濕環(huán)境或水溶液下的氧化機制。

研究人員發(fā)展了MXenes-水體系的神經(jīng)網(wǎng)絡勢函數(shù)，該勢函數(shù)在測試集上表現(xiàn)優(yōu)異，與DFT計算相比，能量和力的均方根誤差分別為2.35meV/atom和0.083eV/?。在徑向分布函數(shù)和振動態(tài)密度的性質測試中，基于勢函數(shù)的MD模擬和AIMD模擬高度一致。MXenes-水體系的MD模擬結果顯示：水層越厚，單位水分子上的垂直氫鍵數(shù)目越多，水分子向MXenes基面移動越受限，導致過渡金屬原子和水中的氧原子之間的平均距離增加，使得MXenes的氧化速率隨著水層厚度的增加而減少。同時，MXenes的氧化會釋放自由質子，質子會和水形成典型的水合質子，從而束縛水分子的運動，使得MXenes的氧化速率隨時間增加而減小。不同類型的過渡金屬原子和水中氧原子之間的平均距離，以及水分子在MXenes基面上的物理吸附概率，證明了MXenes表面存在氧化物保護層。

這些重要發(fā)現(xiàn)為合成高穩(wěn)定性的MXenes材料提供了理論指導。

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