由于其成分多样且具有意想不到的物理化学性质，高熵材料在储能领域极具潜力。然而，由于易发生相分离以及烧结时间长，其合成面临诸多挑战。在此，本文提出一种基于放电等离子烧结（SPS）技术的超快速合成策略，可在15分钟内合成高熵MAX相，包括一种新相(Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Mo₀.₂)₄AlC₃ 以及几种413型相TiVNbMoAlC₃、TiVCrMoAlC₃ 和(Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)₄AlC₃，纯度最高可达99.54%。在高温下，过量的低熔点（约660°C）铝可营造液态环境，缓解起始原料之间的不混溶性，并在一定程度上有利于扩散动力学。通过理论计算阐释了复杂多元体系中高熵MAX相的热力学优势。同时，可在原子层面直接观察到高熵MAX相中MX板之间多样的堆叠模式，以及向其衍生的MXenes的独特拓扑转变。此外，对四种作为电极材料的高熵MXenes进行了可充电电池方面的研究。其中，TiVNbMoC₃电极展现出卓越的锂离子存储能力，在1 A g⁻¹的电流密度下循环1000次后，比容量仍可达725 mAh g⁻¹，这为高熵MXenes在能源领域的应用提供了启发。
 
 
Fig 1. (a) 传统工艺中合成高熵MAX相的示意图。(b) 本研究中高熵MAX相合成过程的示意图。(c) 不同高熵MAX相的温度与烧结时间对比。(d) 不同高熵MAX相的混合时间与总时间对比。
 
 
Fig 2. 合成样品的X射线衍射（XRD）里特沃尔德精修分析。(a) (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Mo₀.₂)₄AlC₃ ；(b) (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)₄AlC₃ ；(c) TiVNbMoAlC₃ ；(d) TiVCrMoAlC₃ 。
 
 
Fig 3. 高熵MAX相的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）图像及相应的滤波快速傅里叶变换（FFT）图像。(a) (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Mo₀.₂)₄AlC₃ (b) (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)₄AlC₃ (c) TiVNbMoAlC₃ (d) TiVCrMoAlC₃ (e) 图(a)中蓝色和粉色虚线框定区域的放大图 (f) 图(b)中蓝色和粉色虚线框定区域的放大图 (g) β相MAX相(11\(\bar{0}\))平面示意图 (h) 描述M位含五种金属的高熵MAX相原子位置的放大图 (i) 图(c)中蓝色和粉色虚线框定区域的放大图 (j) 图(d)中蓝色和粉色虚线框定区域的放大图 (k) α相MAX相(11\(\bar{0}\))平面示意图 (l) 描述M位含四种金属的高熵MAX相原子位置的放大图相应的FFT图像：(m) (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Mo₀.₂)₄AlC₃ (n) (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)₄AlC₃ (o) TiVNbMoAlC₃ (p) TiVCrMoAlC₃ 每行图像具有相同的比例尺。
 
 
 
Fig 4. 从高熵413型MAX相转变为其他竞争相在不同路径下所需的能量。(a) (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Mo₀.₂)₄AlC₃。(b) (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)₄AlC₃。(c) TiVNbMoAlC₃。(d) TiVCrMoAlC₃。
 
 
 
Fig 5. 高熵MAX相及其衍生的高熵MXenes在5°至10°范围内记录的X射线衍射（XRD）图谱对比。(a) (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Mo₀.₂)₄AlC₃ 及其衍生的 (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Mo₀.₂)₄C₃。(b) (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)₄AlC₃ 及其衍生的 (Ti₀.₂V₀.₂Cr₀.₂Nb₀.₂Ta₀.₂)₄C₃。(c) TiVNbMoAlC₃ 及其衍生的 TiVNbMoC₃。(d) TiVCrMoAlC₃ 及其衍生的 TiVCrMoC₃。(e) 高熵MAX相及其衍生的高熵MXenes的d(0002)面间距和c轴晶格参数汇总。(f) 高熵MAX相及其衍生的MXenes的电感耦合等离子体（ICP）数据。
 


Fig 6. 高熵MXenes用于锂离子电池（LIBs）的电化学性能。(a) 使用高熵MXene电极的锂离子电池示意图。(b) 不同电流密度下的倍率性能。(c) 0.1 A g⁻¹电流密度下的循环性能。(d) 1 A g⁻¹电流密度下的循环性能。
 
       相关研究成果由北京理工大学陈娣教授、北京科技大学王荣明教授、和建刚教授、安徽师范大学方臻教授以及中国人民解放军总医院姜凯教授于2024年联合在线发表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上，Ultra-rapid Synthesis of High-entropy MAX Phases and Their Derivative MXenes for Battery Electrodes，原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202418538

转自《石墨烯研究》公众号