由于其成分多樣且具有意想不到的物理化學性質，高熵材料在儲能領域極具潛力。然而，由于易發生相分離以及燒結時間長，其合成面臨諸多挑戰。在此，本文提出一種基于放電等離子燒結（SPS）技術的超快速合成策略，可在15分鐘內合成高熵MAX相，包括一種新相(Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Mo?.?)?AlC? 以及幾種413型相TiVNbMoAlC?、TiVCrMoAlC? 和(Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Ta?.?)?AlC?，純度最高可達99.54%。在高溫下，過量的低熔點（約660°C）鋁可營造液態環境，緩解起始原料之間的不混溶性，并在一定程度上有利于擴散動力學。通過理論計算闡釋了復雜多元體系中高熵MAX相的熱力學優勢。同時，可在原子層面直接觀察到高熵MAX相中MX板之間多樣的堆疊模式，以及向其衍生的MXenes的獨特拓撲轉變。此外，對四種作為電極材料的高熵MXenes進行了可充電電池方面的研究。其中，TiVNbMoC?電極展現出卓越的鋰離子存儲能力，在1 A g?¹的電流密度下循環1000次后，比容量仍可達725 mAh g?¹，這為高熵MXenes在能源領域的應用提供了啟發。
Fig 1. (a) 傳統工藝中合成高熵MAX相的示意圖。(b) 本研究中高熵MAX相合成過程的示意圖。(c) 不同高熵MAX相的溫度與燒結時間對比。(d) 不同高熵MAX相的混合時間與總時間對比。
Fig 2. 合成樣品的X射線衍射（XRD）里特沃爾德精修分析。(a) (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Mo?.?)?AlC? ；(b) (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Ta?.?)?AlC? ；(c) TiVNbMoAlC? ；(d) TiVCrMoAlC? 。
Fig 3. 高熵MAX相的高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像及相應的濾波快速傅里葉變換（FFT）圖像。(a) (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Mo?.?)?AlC? (b) (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Ta?.?)?AlC? (c) TiVNbMoAlC? (d) TiVCrMoAlC? (e) 圖(a)中藍色和粉色虛線框定區域的放大圖 (f) 圖(b)中藍色和粉色虛線框定區域的放大圖 (g) β相MAX相(11\(\bar{0}\))平面示意圖 (h) 描述M位含五種金屬的高熵MAX相原子位置的放大圖 (i) 圖(c)中藍色和粉色虛線框定區域的放大圖 (j) 圖(d)中藍色和粉色虛線框定區域的放大圖 (k) α相MAX相(11\(\bar{0}\))平面示意圖 (l) 描述M位含四種金屬的高熵MAX相原子位置的放大圖相應的FFT圖像：(m) (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Mo?.?)?AlC? (n) (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Ta?.?)?AlC? (o) TiVNbMoAlC? (p) TiVCrMoAlC? 每行圖像具有相同的比例尺。
Fig 4. 從高熵413型MAX相轉變為其他競爭相在不同路徑下所需的能量。(a) (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Mo?.?)?AlC?。(b) (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Ta?.?)?AlC?。(c) TiVNbMoAlC?。(d) TiVCrMoAlC?。
Fig 5. 高熵MAX相及其衍生的高熵MXenes在5°至10°范圍內記錄的X射線衍射（XRD）圖譜對比。(a) (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Mo?.?)?AlC? 及其衍生的 (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Mo?.?)?C?。(b) (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Ta?.?)?AlC? 及其衍生的 (Ti?.?V?.?Cr?.?Nb?.?Ta?.?)?C?。(c) TiVNbMoAlC? 及其衍生的 TiVNbMoC?。(d) TiVCrMoAlC? 及其衍生的 TiVCrMoC?。(e) 高熵MAX相及其衍生的高熵MXenes的d(0002)面間距和c軸晶格參數匯總。(f) 高熵MAX相及其衍生的MXenes的電感耦合等離子體（ICP）數據。
Fig 6. 高熵MXenes用于鋰離子電池（LIBs）的電化學性能。(a) 使用高熵MXene電極的鋰離子電池示意圖。(b) 不同電流密度下的倍率性能。(c) 0.1 A g?¹電流密度下的循環性能。(d) 1 A g?¹電流密度下的循環性能。
相關研究成果由北京理工大學陳娣教授、北京科技大學王榮明教授、和建剛教授、安徽師范大學方臻教授以及中國人民解放軍總醫院姜凱教授于2024年聯合在線發表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上，Ultra-rapid Synthesis of High-entropy MAX Phases and Their Derivative MXenes for Battery Electrodes，原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202418538
轉自《石墨烯研究》公眾號
