三元层状过渡金属硼化物（MAB相）是一种新型的层状金属陶瓷材料，其可以被选择性蚀刻以形成的二维材料MBenes。理论研究表明，MBenes 在电化学储能、催化、自旋电子器件等应用中具有优异的性能。 目前大多数MAB 相都是正交结构（o-MAB，空间群 Cmcm），例如 MoAlB、CrAlB 和 MnAlB。然而，理论计算和实验表明在o-MAB 相中选择性去除 Al 原子非常困难。最近，六方层状三元硼化物 (h-MAB) Ti₂InB₂ (Nat. Commun. 2019, 10, 2284)被成功合成并剥离得到2D TiB。理论计算表明h-MAB 在剥离的难易程度上比 o-MAB 具有巨大优势。然而，目前h-MAB 相及其衍生2-D h-MBenes仅涉及有限种类的过渡金属。

       王俊杰教授团队通过将三元 h-MAB 相与第四组分合金化，进行了广泛的结构和元素搜索得到稳定的四元 h-MAB 相。搜索结果表明在所研究的系统中存在 25 个热力学和动态稳定的四元 h-MAB 相。同时提出了四元 h-MAB 相的稳定性机制：引入比M'原子具有更大原子半径和更小的电负性的M"原子，可以给体系贡献电子并推动A层形成类Kagomé结构，使得A-A键增强，提高了四元h-MAB结构的稳定性。此外，还从理论上证明了从预测的四元相中通过选择性去除 A 组分剥离得到 h-MBenes 的可能性。析氢反应（HER）的模拟表明，双金属效应为h-MBene在析氢反应催化剂应用领域带来极大的优势，丰富了h-MBenes 的应用前景。

       该研究以“Theoretical Exploration of Quaternary Hexagonal MAB Phases and Two-Dimensional Derivatives”为题发表于期刊Nanoscale上。论文的第一作者是实验室硕士生姚裕芳，通信作者是王俊杰教授，西北工业大学凝固技术国家重点实验室是论文第一完成单位。

v  图文导读

图1 不同组分四元h-MAB相(M'_2/3M"_1/3)₂AB₂在其相空间里距离凸包的距离，其中A = (a) Al, (b) Ga, (c) Zn, (d) Si and (e) In。

图2 h-MAB在引入第四种元素M"过程中结构和电子结构演变示意图。(a)引入M"后A层的结构畸变； (b) (M'_2/3M"_1/3)₂B₂层的侧视图；(c) (M'_2/3M"_1/3)₂AB₂（001）平面上二维局域电荷密度图(ELF)； (d)引入第四个元素M"前后，Al层的二维ELF图。

图3 分别在（a）M₂AlB₂和（b）(M'_2/3M"_1/3)₂AlB₂中Al-Al键的投影晶体轨道哈密顿布居 (pCOHP)； (c) M₂AlB₂和(M'_2/3M"_1/3)₂AlB₂中Al-Al的力常数。

图4 四元h-MAB 相中不同界面的力常数和分离能。(a) 四元h-MAB形成h-MBenes的可能蚀刻平面（用红色突出显示）；(b) 15个预测 (M'_2/3M"_1/3)₂AlB₂相的M/A和M/B界面的分离能比较；(c) M'-Al 和 M'-B的力常数比较。

图5. 氧官能化的h-Mbenes结构示意图和ΔG_H*计算结果。 (a) h-MBenes 上 O 吸附构型的俯视图； (b) 9种h-MBenes 的四种吸附模型的氧官能团计算吸附能； (c) 具有氧官能团h-MBenes 上H吸附构型的俯视图和侧视图；(d)不同氢覆盖率下氧官能化h-MBenes 的理论吉布斯自由能。

原文信息

Yufang Yao; Nanxi Miao; Yutong Gong; Junjie,Wang, Theoretical exploration of quaternary hexagonal MAB phases and two-dimensional derivatives. Nanoscale 2021, 13, 13208-13214.

论文链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/nr/d1nr02882k