Per la prima volta, i ricercatori hanno ridotto la cinetica dell'ossidazione di Mxenes su scala atomica

Titolo della fonte: Ricercatori per la prima volta dalla riduzione della scala atomica della cinetica di ossidazione di Mxenes

Di recente, il team del professor associato Meng Xing, laboratorio chiave della nuova fisica e della tecnologia della batteria del Ministero della Pubblica Istruzione, College of Physics, Università di Jilin, ha fatto importanti progressi nel calcolo teorico del comportamento di ossidazione delle carboni di metallo di transizione bidimensionale /Nitrides/Nitrides di carbonio (Mxenes) e i risultati pertinenti sono stati pubblicati online nella chimica applicata tedesca il 14 giugno 2023.

A causa della sua alta conducibilità e dei ricchi gruppi funzionali di superficie, Mxenes è ampiamente utilizzato in energia, dispositivi elettronici, biomedicina e altri campi. Tuttavia, Mxenes si degrada facilmente negli ossidi di metallo di transizione in ambienti bagnati o soluzioni acquose, che limita la sua applicazione in vari campi. Pertanto, come sintetizzare i materiali MXENES con elevata stabilità chimica è un problema scientifico chiave da risolvere urgentemente.

Nello studio, il team di ricerca di Meng ha condotto uno studio di calcolo teorico approfondito sul comportamento di ossidazione del sistema Mxenes-Water super-largo. Combinando l'apprendimento automatico con i calcoli dei primi principi, i ricercatori hanno raggiunto simulazioni di dinamica molecolare nanosecondi con precisione DFT e per la prima volta hanno ridotto il processo cinetico dell'ossidazione di Mxenes dalla scala atomica, rivelando la natura del decadimento esponenziale dei mxeni osservati sperimentalmente. Il meccanismo di ossidazione di Mxenes in ambiente umido o soluzione acquosa è stato chiarito.

I ricercatori hanno sviluppato una funzione potenziale di rete neurale per il sistema Mxenes-Water, che si comporta bene sul set di test, con errori quadrati di radice di 2,35 mEV/ atomo per energia e 0,083ev/ a per la forza rispetto ai calcoli DFT. La simulazione MD basata sulla potenziale funzione è altamente coerente con la simulazione AIMD nella funzione di distribuzione radiale e nel test di proprietà della densità dinamica. I risultati della simulazione MD del sistema Mxenes-Water mostrano che più spesso lo strato d'acqua, più legami idrogeno verticali per unità di molecole d'acqua, più limitato è il movimento delle molecole d'acqua alla superficie di base di Mxenes, con conseguente aumento della distanza media Tra gli atomi di metallo di transizione e gli atomi di ossigeno in acqua e il tasso di ossidazione di Mxenes diminuisce con l'aumento dello spessore dello strato d'acqua. Allo stesso tempo, l'ossidazione dei mxeni rilascerà protoni liberi, che formerà un tipico protone idratato con acqua, legando così il movimento delle molecole d'acqua, facendo diminuire il tasso di ossidazione dei mxenes con l'aumento del tempo. La distanza media tra diversi tipi di atomi di metallo di transizione e atomi di ossigeno in acqua, nonché la probabilità di adsorbimento fisico delle molecole d'acqua sulla superficie di base di Mxenes, dimostrano l'esistenza di uno strato protettivo di ossido sulla superficie di Mxenes.

Questi importanti risultati forniscono una guida teorica per la sintesi di materiali Mxenes altamente stabili.