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材料领域国际顶级期刊Advanced Materials上发表了题为“ Rare-Earth (R) In-Plane Ordering in Novel (Mo, R, Nb)4AlC3 Quinary o-MAX Nanolaminates and their 2D Derivatives”的研究论文。该工作由东北大学博士生郭宏运、王强教授和崔伟斌教授联合重庆大学符潇潇博士、中国科学院赣江创新研究院彭立山博士及浙江大学严密教授完成，是我校材料科学与工程一级学科作为第一单位发表的第三篇、材料物理与化学学科以及EPM实验室首篇发表在Advanced Materials的学术论文。
过渡金属层状碳/氮化物，即MAX相，发现于1960年代，化学式为：Mn+1AXn (n = 1–4)，M为前过渡族金属，A为IIIA-VIA主族元素，X为C/N。因其具有结构上的层状原子堆垛结构、层间具有弱共价键而层内强共价/离子键，而展现出良好的机械加工、抗氧化以及高温力学性能而受到关注。2011年，美国Drexel大学的M. Naguib及Gogugy教授首次报道了MAX相的代表体系Ti3AlC2可以在HF溶液中被刻蚀掉活性Al原子层、进而通过插层获得相应的Ti3C2Tx纳米片，从而开启了一种合成制备二维材料体系MXene的新领域。
MXene因其较大的比表面积、较好的金属导电性能、表面丰富的官能团（-F、 -OH 和 =O 等）、令人满意的亲水性和显露的电负性等优点，在能源储存与转化、催化、电磁干扰屏蔽和生物医疗等领域具有极大的应用潜力，已成为世界各地研究人员的热门话题。因其通过拓扑化学法刻蚀MAX相得到，所以MXene的成分在很大程度上依赖于MAX母相的晶体结构与元素搭配，因而开拓探索更多种类MAX相，是研究相应MXene性能及应用的前提。
近年来，MAX相的蓬勃发展，离不开元素取代导致的有序占位所做的贡献。目前为止，当某种特定元素在M位合金化时，可以得到两种有序结构的MAX相，分别为层间有序和面内有序。一般认为层间有序通常产生在n ≥ 2，而面内有序只出现在n = 1的体系中；是否可以在高n的MAX相中也实现有序占位，从而构造出新的MAX体系，抑或从结构堆垛的角度出发，(M1,M2)n+1AlCn型o-MAX相可以认为是将若干层FCC型M2C的(111)原子面插入M12AlC型211相的两个M1层间而构成。
对此，东北大学崔伟斌教授团队在实验证实为层间有序的Mo2Nb2AlC3 o-MAX相的Mo外层中引入稀土R(=Y, Gd-Tm, Lu)而形成特定物相，稀土原子具有特定化学比：R: (Mo+Nb+R) = 2/3 : 4，化学通式可写为Mo1.33R0.67Nb2AlC3；通过晶体结构表征发现，稀土原子可以有序占据外层Mo六角的中心位，形成类似i-MAX相中的原子构型，因而晶体对称群为Cmcm；这种Mo/Nb层间有序、Mo/R面内有序的新奇占位进一步被原子级EDS证实，这种超有序新相被命名为s-MAX相；实际上，该物相中外层Mo与内层Nb原子会产生互占位，因而在很宽的Mo、Nb成分范围内都能够成相；同时，由于稀土元素参与成相，主相比例比四元o-MAX相显著提高。
该研究提出了继o-MAX和i-MAX后又一有序相，拓宽了稀土有序占位的纳米层状碳化物体系，并对其进行了详细的结构表征；通过第一性原理解释其形成机制；初步探索了该体系在超级电容器中的应用，研究了有序空位对MXene在储能和催化领域的影响。这将大大激发研究人员对稀土有序MAX相和MXene家族的进一步探索。
文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202404466
