二維過(guò)渡金屬碳化物/氮化物/碳氮化物（MXenes）因具有高導(dǎo)電性和豐富的表面官能團(tuán)而被廣泛應(yīng)用于能源、電子器件、生物醫(yī)藥等各個(gè)領(lǐng)域。
然而，MXenes在潮濕的環(huán)境或水溶液中容易降解成為過(guò)渡金屬氧化物，這限制了它在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，如何合成化學(xué)穩(wěn)定性高的MXenes材料是當(dāng)前亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
近日，吉林大學(xué)的孟醒副教授和美國(guó)加州大學(xué)河濱分校的吳建中教授、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的Aleksandra Vojvodic副教授合作，對(duì)超大MXenes-水體系的氧化行為做了深入地理論研究。第一性原理計(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合發(fā)展了MXenes-水體系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了DFT精度下的納秒尺度的分子動(dòng)力學(xué)模擬，首次從原子尺度還原了MXenes氧化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，揭示了實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的MXenes氧化速率呈指數(shù)型衰減的本質(zhì)。
圖1：主動(dòng)學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)的發(fā)展流程示意圖。 MXenes-水體系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)在測(cè)試集上表現(xiàn)優(yōu)異，與DFT計(jì)算相比，它的能量和力的均方根誤差分別為2.35 meV/atom和0.083 eV/?。在徑向分布函數(shù)和振動(dòng)態(tài)密度的性質(zhì)測(cè)試中，基于勢(shì)函數(shù)的MD模擬和AIMD模擬高度一致。 圖2：（a）不同水層的氧化物數(shù)目隨時(shí)間的變化。（b）釩原子和水中氧原子的平均間距隨時(shí)間的變化。（c）典型的水合質(zhì)子構(gòu)型。（d）質(zhì)子在水中的遷移方式。 MXenes-水體系的模擬結(jié)果顯示：水層越厚，單位水分子上的垂直氫鍵數(shù)目越多，水分子向MXenes基面移動(dòng)受限，導(dǎo)致過(guò)渡金屬原子和水中的氧原子之間的平均距離增加，使得MXenes的氧化速率隨著水層厚度的增加而減少。MXenes的氧化會(huì)釋放自由質(zhì)子，質(zhì)子會(huì)和水形成典型的水合質(zhì)子，束縛水分子的運(yùn)動(dòng)，使得MXenes的氧化速率隨時(shí)間增加而減小。 圖3：（a）超大MXenes-水體系結(jié)構(gòu)示意圖。（b）水中氧化物的局域構(gòu)型。(c)不同類型釩原子的V-O平均間距。（d）水分子的物理吸附概率。 不同類型的過(guò)渡金屬原子和水中氧原子之間的平均距離，以及水分子在MXenes基面上的物理吸附概率，證明了MXenes表面存在氧化物保護(hù)層。這些重要發(fā)現(xiàn)為合成高穩(wěn)定性的MXenes材料提供了理論指導(dǎo)。 論文信息 Unraveling the Oxidation Behaviors of MXenes in Aqueous Systems by Active-Learning-Potential Molecular-Dynamics Simulation Pengfei Hou, Yumiao Tian, Prof. Yu Xie, Prof. Fei Du, Prof. Gang Chen, Dr. Aleksandra Vojvodic, Prof. Jianzhong Wu, Dr. Xing Meng 文章的第一作者是吉林大學(xué)物理學(xué)院的碩士研究生侯鵬飛，通訊作者為吉林大學(xué)物理學(xué)院孟醒副教授、加州大學(xué)河濱分校吳建中教授、賓夕法尼亞大學(xué)Aleksandra Vojvodic副教授。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202304205
