科研进展

东北大学EPM教育部重点实验室稀土磁性材料课题组在Small发表新成果

作者: 种禾 编辑: 刘颖慧 周洛琦 更新日期: 2023-12-26

近日,东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室稀土磁性材料课题组在Small期刊发表了题为“In-Plane Chemical Ordering (Mo2/3R1/3)2AlB2 (R = Tb, Dy, Ho, Er, Tm and Lu) i-MAB Phases and their Two-dimensional Derivatives (MBene): Synthesis, Structure, Magnetic and Supercapacitor Performance”的研究论文。东北大学为第一通讯单位,材料科学与工程学院博士研究生种禾为第一作者,崔伟斌教授为通讯作者。

新能源开发利用已经成为未来的能源发展主流,包括风能、水能、核能等能源技术都已经普遍应用。然而能量的存储是个不可避免的课题,而超级电容器是一种新型的能量存储与转化装置,不但拥有较高的能量密度,而且功率密度也很高,是一种能够在能源紧缺时代解决不断增长的能源需求的技术。以MXene为代表的二维材料,在新能源领域中有广泛的应用。

MXene是一种从MAX相中通过拓扑化学法刻蚀得到的一种二维过渡金属碳/氮化物,其继承了MAX相前驱体较为单一的的六次对称结构,具有比表面积大、化学组成丰富、表面官能团多样可调等特点,在能量存储转化等领域具有极大的应用潜力。与MAX相主要结晶于P63/mmc六方空间群不同,得益于硼元素的欠电子特性,MAX相的硼化类似物MAB相往往具有丰富晶体结构(如Cmcm、Cmmm、Immm、Pmmm)。其展现出的类似于MAX相的可化学剥离为二维MXene的前景也吸引着研究者的目光,故开发新的可二维化的MAB相前驱体对其二维衍生物MBene的应用具有重要意义。

该研究合成并表征了一系列稀土有序占位的层状硼化物(Mo2/3R1/3)2AlB2 (R = Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu) i-MAB相。(Mo2/3R1/3)2AlB2晶体结构为R-3m六方结构,Mo原子与稀土R原子在Mo-R层内有序交替排列,其中R原子位于Mo原子正六边形中心位置并略突出Mo-R层向Al层延伸(图1)。

图 1(a)(Mo2/3Ho1/3)2AlB2的XRD精修图谱,(b) (Mo2/3Ho1/3)2AlB2的晶胞参数对比;(Mo2/3Ho1/3)2AlB2沿(c)[100], (d)[-110], (e)[001]轴的STEM-HAADF及选区电子衍射图像

由于稀土原子4f电子的自旋相互作用,(Mo2/3R1/3)2AlB2化合物在低温下表现出外场诱导的磁矩翻转现象,并且随着磁晶各向异性场的逐渐减弱,从R=Tb到Tm,磁矩翻转所需临界场逐渐减小(图2)。

图 2 (Mo2/3Ho1/3)2AlB2(R = (a)Tb, (b)Dy, (c)Ho, (d)Er, (e)Tm)在0.1 T外场下的此热曲线; (Mo2/3Ho1/3)2AlB2(R = (f)Tb, (g)Dy, (h)Ho, (i)Er, (j)Tm)不同温度下的等温此话曲线;(Mo2/3Ho1/3)2AlB2(R = (k)Tb, (l)Dy, (m)Ho, (n)Er, (o)Tm)4 K等温此话曲线对应的dM/dμ0H曲线

通过拓扑化学法选择性刻蚀掉(Mo2/3R1/3)2AlB2中的Al原子层和R原子,可得到具有R有序空位,且保持(Mo2/3R1/3)2AlB2母相六次对称的二维衍生物MBene(图3)。通过773 K氮化处理,其仍然保持六次对称和层状结构,较原始MBene,其电荷转移电阻大幅减小、质量比电容大幅提升至219F/g(在2mV/s的扫描速率下),这得益于层间层间插层离子的分解脱嵌以及Mo-N键的引入。进一步提升氮化温度至973 K,MBene可转变为结晶性较差的晶态Mo2N纳米片,其质量比电容为229F/g(在2mV/s的扫描速率下)(图4)。

图 3 MBene的STEM-HAADF图像及相应的快速傅里叶变换(插图)

图 4 MBene@Ho, MBene@Ho-N573K, MBene@Ho-N773K, MBene@Ho-N973K (a)在50mV/s扫速下的CV曲线,(b)质量比电容,(c)Nyquist图,(d) MBene@Ho-N973K的b值拟合结果

该研究拓宽了稀土有序占位的纳米层状硼化物体系,探索了该体系的晶体结构与磁性;通过拓扑化学法刻蚀,将稀土元素与二维储能体系进行结合,拓宽了稀土元素在超级电容器中的应用。感谢东北大学分析测试中心对本研究中结构表征方面工作的大力支持。

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