Predicted Surface Composition and Thermodynamic Stability of MXenes in Solution

MXenes公司 理论(学习稳定性) 作文(语言) 化学稳定性 热力学 曲面(拓扑) 化学 材料科学 化学物理 纳米技术 物理 数学 计算机科学 哲学 几何学 机器学习 语言学
作者
Michael Ashton,Kiran Mathew,Richard G. Hennig,Susan B. Sinnott
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:120 (6): 3550-3556 被引量:189
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.5b11887
摘要

First-principles calculations are used to compare the binding energies of O, OH, and F on two-dimensional, metal carbide and nitride, or MXene, surfaces in order to predict the dependence of the thermodynamic stability of these compounds on their chemical composition. Solvation effects are implicitly included in the calculations to reproduce experimental conditions as closely as possible. The results indicate that all MXene surfaces are saturated with oxygen when exposed to H2O/HF solutions at low hydrogen chemical potential, μH, and that Sc-based MXenes can also be fluorinated in solutions of higher μH. After investigating the thermodynamic stability of all 54 MXene compounds Mn+1XnO2 (M = Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta; X = C, N; n = 1, 2, 3), 38 are predicted to have formation energies below 200 meV/atom. Of these, six are predicted to have formation energies below 100 meV/atom, only one of which has been synthesized. Sc-based MXenes are found to be highly stable when their surfaces are terminated with F, which also results in the easiest exfoliation to produce freestanding single layers.
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