近日，吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室孟醒副教授团队在二维过渡金属碳化物/氮化物/碳氮化物（MXenes）氧化行为的理论计算研究方面取得重要进展，相关成果以“Unraveling Oxidation Behaviors of MXenes in Aqueous Systems by Active Learning Potential Molecular Dynamics Simulation”为题，于2023年6月14日在线发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition, DOI: 10.1002/anie.202304205）上。
MXenes因具有高导电性和丰富的表面官能团而被广泛应用于能源、电子器件、生物医药等各个领域。然而，MXenes在潮湿环境或水溶液中容易降解成为过渡金属氧化物，这限制了它在各个领域的应用。因此，如何合成化学稳定性高的MXenes材料是当前亟待解决的关键科学问题。
本工作中，孟醒副教授研究团队对超大MXenes-水体系的氧化行为做了深入地理论计算研究。研究人员将机器学习和第一性原理计算相结合，实现了DFT精度下的纳秒尺度的分子动力学模拟，首次从原子尺度还原了MXenes氧化的动力学过程，揭示了实验上观测到的MXenes氧化速率呈指数型衰减的本质，阐明了MXenes在潮湿环境或水溶液下的氧化机制。
研究人员发展了MXenes-水体系的神经网络势函数，该势函数在测试集上表现优异，与DFT计算相比，能量和力的均方根误差分别为2.35 meV/atom和0.083 eV/Å。在径向分布函数和振动态密度的性质测试中，基于势函数的MD模拟和AIMD模拟高度一致。MXenes-水体系的MD模拟结果显示：水层越厚，单位水分子上的垂直氢键数目越多，水分子向MXenes基面移动越受限，导致过渡金属原子和水中的氧原子之间的平均距离增加，使得MXenes的氧化速率随着水层厚度的增加而减少。同时，MXenes的氧化会释放自由质子，质子会和水形成典型的水合质子，从而束缚水分子的运动，使得MXenes的氧化速率随时间增加而减小。不同类型的过渡金属原子和水中氧原子之间的平均距离，以及水分子在MXenes基面上的物理吸附概率，证明了MXenes表面存在氧化物保护层。这些重要发现为合成高稳定性的MXenes材料提供了理论指导。
图：（a）超大MXenes-水体系结构示意图。（b）水中氧化物的局域构型。(c)V2CO2中不同类型V原子和水中O原子之间的平均距离。（d）水分子的物理吸附概率。
文章第一作者为吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室2021级硕士研究生侯鹏飞，通讯作者为吉林大学物理学院新型电池物理与技术教育部重点实验室孟醒副教授，共同通讯为加州大学河滨分校吴建中教授和宾夕法尼亚大学Aleksandra Vojvodic副教授。该工作得到了国家自然科学基金委和吉林省科技厅的大力支持。
全文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202304205
