Theoretical Design of Thorium Nitride MXenes

化学 MXenes公司 氮化物 冶金 有机化学 图层(电子) 材料科学
作者
Zihe Zhang,Shi-Ru Wei,Lian‐Wei Ye,Yang He,Han‐Shi Hu,Jun Li
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:63 (42): 19619-19629 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.4c02726
摘要

Actinides with 5f6d7s valence orbitals feature special physicochemical properties different from those of the other elements. Actinide-based two-dimensional (2D) materials combine the distinctive physics of actinides with the quantum size effect of 2D materials, but relevant studies are scarce. Since Th has a valence electron configuration of 6d27s2 like Ti, and Ti-based MXenes show excellent stability and versatile applications, whether Th can form stable MXenes has become an intriguing question. Herein, we designed Th2N, Th3N2, and Th4N3 MXenes and investigated their physical properties, functionalization, and potential applications using density functional theory. Their stabilities are validated by global minimum search, phonon spectra, ab initio molecular dynamics, enthalpy of formation, and energy above the hull. All the Th–N MXenes exhibit metallic properties and are stabilized by the electrostatic interaction between Th and N ions, as well as the covalent bonding interaction between the Th 6d/5f and N 2p/2s orbitals. The H-, O-, and F-functionalization3N2 MXene improve its stability while preserving its metallicity, and the O-functionalized Th3N2 MXene shows promising catalytic activity for hydrogen evolution. The thorium nitride MXenes enrich the family of actinide-based 2D materials and extend our understanding of the structures and properties induced by actinide elements in low-dimensional materials.
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