High-Entropy 2D Carbide MXenes: TiVNbMoC3 and TiVCrMoC3

MXenes公司 材料科学 过渡金属 碳化物 X射线光电子能谱 熵(时间箭头) 最大相位 相变 热力学 化学 纳米技术 物理 核磁共振 生物化学 复合材料 催化作用
作者
Srinivasa Kartik Nemani,Bowen Zhang,Brian C. Wyatt,Zachary D. Hood,Sukriti Manna,Rasoul Khaledialidusti,Weichen Hong,Michael Sternberg,Subramanian K. R. S. Sankaranarayanan,Babak Anasori
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (8): 12815-12825 被引量:166
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c02775
摘要

Two-dimensional (2D) transition metal carbides and nitrides, known as MXenes, are a fast-growing family of 2D materials. MXenes 2D flakes have n + 1 (n = 1-4) atomic layers of transition metals interleaved by carbon/nitrogen layers, but to-date remain limited in composition to one or two transition metals. In this study, by implementing four transition metals, we report the synthesis of multi-principal-element high-entropy M4C3Tx MXenes. Specifically, we introduce two high-entropy MXenes, TiVNbMoC3Tx and TiVCrMoC3Tx, as well as their precursor TiVNbMoAlC3 and TiVCrMoAlC3 high-entropy MAX phases. We used a combination of real and reciprocal space characterization (X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, and scanning transmission electron microscopy) to establish the structure, phase purity, and equimolar distribution of the four transition metals in high-entropy MAX and MXene phases. We use first-principles calculations to compute the formation energies and explore synthesizability of these high-entropy MAX phases. We also show that when three transition metals are used instead of four, under similar synthesis conditions to those of the four-transition-metal MAX phase, two different MAX phases can be formed (i.e., no pure single-phase forms). This finding indicates the importance of configurational entropy in stabilizing the desired single-phase high-entropy MAX over multiphases of MAX, which is essential for the synthesis of phase-pure high-entropy MXenes. The synthesis of high-entropy MXenes significantly expands the compositional variety of the MXene family to further tune their properties, including electronic, magnetic, electrochemical, catalytic, high temperature stability, and mechanical behavior.
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