一种硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及一种硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料及其制备方法与应用，属于材料技术领域。所述MAX相层状材料的分子式表示为M2AX，X为(B

【技术实现步骤摘要】
一种硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及一种无机材料，具体涉及一种硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料及其制备方法与应用，属于材料


技术介绍

[0002]MAX相是一大类非范德瓦耳斯层状固体材料，这些六棱柱化合物有一个通用的化学式M
n+1
AX
n
，呈六方对称结构(P63/mmc)，其中M为过渡金属，A主要为主族元素，X为C、N、B，n＝1
–ꢀ
3(M.W.Barsoum et al.,Prog.Solid State Ch.,2000,28(1
‑
4), 201
‑
281)。理论计算预测表明有超过600种MAX相具备热力学稳定性，其中已成功合成的MAX相已经超过70种。目前已经发现的MAX相的M位、A位和X位元素包括20多种M位元素、接近20种A位元素和3种X位元素。其中，M
n+1
X
n
纳米结构亚层由共价键的共棱M6X八面体层组成，X元素占据M元素组成的八面体间隙；而A位单原子层与M
n+1
X
n
纳米结构亚层间的相互作用力较弱，呈近似金属键状态。借由其独特的共价M6X八面体和类金属A层组成的交替排列结构，MAX相表现出了金属和陶瓷的复合特性：这些MAX相通常兼具陶瓷的轻质、高强、抗氧化、抗蠕变和良好的热稳定性，以及金属的高导电、高导热、相对柔性以及优良的损伤容限、高温塑性和可加工性(J. Gonzalez
‑
Julian et al.,J.Am.Chem.Soc.,2021,104(2),659
‑
690)。最近的研究也发现MAX相具有低辐照活性和良好的材料连接性能(C.Wang et al.,Nat.Commun.,2019,10,622&X.Zhou et al., Carbon,2016,102,106
‑
115)。因此，目前大多数关于MAX相应用领域的研究主要集中在包括高温电极、高铁受电弓、核燃料包壳管等高安全结构材料方向，而对于MAX相功能化应用领域的研究相对较少。
[0003]而MAX相的化学和结构多样性对于优化其未来应用的性能至关重要(M.Sokol et al.,Trends in Chem.,2019,1(2),210
‑
223)，因此如何利用MAX相的化学多样性，设计和调控MAX相元素组成和电子云结构，获得具有全新物理化学性能的MAX相并提升人们对MAX相材料晶体结构的理解，一直是该领域学者努力的重要方向。诸多实验证明，MAX相中各位置的元素对材料的性能起了决定性的作用。例如向MAX相M位中掺入功能性的化学元素，调控M位元素的排列方式形成MAX相固溶体是目前探索新型MAX相物理化学性能的一个重要手段。通过引入Fe、Mn等原子进入Cr2AlC、Cr2GeC、Cr2GaC和V2AlC等MAX相的M位就可以获得具有磁学性能的MAX相和MAX相固溶体(C.Hammet al.,Mater.Chem.Front.,2018,2,483
‑
490)。瑞典林雪平大学 Per Eklund团队在《Nature Materials》报道，通过A位元素置换的方法，在保持孪晶结构M
n+1
X
n
纳米亚层的同时插入多种金属元素(如Au、Ir等)，可以有效地调控MAX相材料的物理化学性质，比如，MAX相与SiC的欧姆接触性能(H.Fashandi et al.,Nat. Mat.,2017,16,814
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818)。然而，迄今为止MAX相的化学多样性是主要局限于M
‑
和A
‑
两位置，如副族MAX相(Ti3ZnC2(M.Liet al.,J.Am.Chem.Soc.,2019,141,4730
‑
4737)、Nb2CuC(H.M. Ding et al.,Mater.Res.Lett.,2019,7(12),510
‑
516)和Ta2FeC(Y.B. Li et al.,Appl.Phys.Rev.,2021,8(3),03148))，稀土金属MAX 相(Lu2SnC(S.Kuchida et al.,
Physica C,2013,494,77
‑
79))，以及高熵MAX相((Ti、Zr、Hf、Nb、Ta)2AlC(W.Bao et al.,Scr. Mater.,2020,183,33
‑
38)和V2(Sn,A)C(A＝Fe、Co、Ni、Mn)(Y. Li et al.,PNAS,2020,117(2),820
‑
825))。MAX相中X位的常见选择是C和/或N，这是因为M和X原子的兼容性要求很高，即 X位原子的尺寸应该有能力占据M6X八面体的中心。Dirk Johrendt 等人通过固态方法合成并表征了第一个硼化物MAX相Nb2SB(T. Rackl et al.,Phys.Rev.Mater.,2019,3(5),054001)。实验证明，X 位的硼原子调整了MAX相的物理和力学性能，如超导性、导热性、硬度和断裂强度(T.Rackl et al.,Solid State Sci.,2020,106, 106316)，这一尝试为扩展MAX相的X
‑
site元素打开了一扇门。然而到目前为止所探究的MAX相的X位元素均为原子尺寸较小的元素(C、N、B)。

技术实现思路

[0004]本专利技术的专利技术目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种X位为在B原子稳定作用下的硫属元素的MAX相材料。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术通过如下方案实现：一种硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料，所述MAX相层状材料的分子式表示为M2AX，X为(B
x
Ch1‑
x
)，x＝0～1，且x≠0，Ch为S、 Se、Te及其任意组合。
[0006]在X位单独引入硫属元素是极难的，本专利技术中采用外层电荷数最少的B原子来稳定硫属原子(如S、Se、Te等)在X位的稳定存在，使形成的MAX相由于X位原子的电子云密度发生巨大改变，进而调控其结构与性能的变化。
[0007]在上述硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料中，作为优选，M2AX中M包括Zr、Hf、Nb、Ti、V、Ta中的一种或多种。
[0008]在上述硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料中，作为优选，M2AX中A包括S、Se、Te中的一种或多种。
[0009]在上述硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料中，所述的MAX相材料具有六方晶系结构，空间群为P63/mmc，晶胞由M2X单元与硫属原子层交替堆垛而成。
[0010]本专利技术还提供一种上述硼元素稳定X位为硫属元素的MAX 相材料的制备方法，所述的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料，其特征在于，所述MAX相层状材料的分子式表示为M2AX，X为(B
x
Ch1‑
x
)，x＝0～1，且x≠0，Ch为S、Se、Te及其任意组合。2.根据权利要求1所述的硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料，其特征在于，M2AX中M包括Zr、Hf、Nb、Ti、V、Ta中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料，其特征在于，M2AX中A包括S、Se、Te中的一种或多种。4.如权利要求1
‑
3中任一项所述硼元素稳定X位为硫属元素的MAX相材料的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括：将M材料、A材料、X材料混合，于惰性气氛中在800～1700℃下反应，得硼元素稳定X...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄庆，陈科，李子乾，
申请(专利权)人：宁波杭州湾新材料研究院，
类型：发明
国别省市：