[发明专利]含氮中熵或高熵MAX相材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种含氮中熵或高熵MAX相材料及二维材料的制备方法，包括步骤：以至少一种含氮的MAX相和数种不含氮的MAX相作为原料进行反应；其中，MAX相中的M的元素种类之和为四种以上，得到含氮中熵或高熵MAX相材料；或，以至少一种含氮的MAX相、数种过渡金属的单质或化合物和A的单质或化合物作为原料进行反应，MAX相中M的元素种类与数种过渡金属的元素种类之和为四种以上，制备得到含氮中熵或高熵MAX相材料。本发明工艺简单，易于工业化放大生产，为含氮中熵或高熵MAX相材料及二维材料的应用奠定基础。

技术领域

本发明涉及新材料领域，特别是关于一种含氮中熵或高熵MAX相材料及其制备方法和应用。

背景技术

层状过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物(MAX相)具有丰富的化学组成，其化学式为M_n+1AX_n，M代表早过渡金属元素如Sc、Y、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo和W等，A主要为第13-16族元素如Al、Si、P和S等，X代表C和/或N元素。MAX相材料中由于M金属原子3d轨道与A原子2p轨道间存在强烈的耦合作用，赋予MAX相金属的导电性和陶瓷的导热性，所以MAX相又被称为导电陶瓷。到目前为止，已经发现的MAX相材料有150余种，但含氮的MAX相却只集中在Ti₂AlN、Ti₂AlC_xN_1-x、Ti₃AlCN和Ti₄AlN₃极少数种，含氮的高熵MAX相(含至少5种过渡金属元素)到目前仍然没有被报道。相应地，仍然无法得到含氮的高熵二维材料。而目前已经报道的含氮高熵材料主要集中在以岩盐结构为代表的(Cr_0.2Mo_0.2Nb_0.2V_0.2Zr_0.2)N和(V_0.2Nb_0.2Ta_0.2Mo_0.2W_0.2)N等材料，具有三维块体结构，这样的高熵氮化物已经表现出了优异的力学、磁学、耐高温、抗腐蚀性能。因此，可以推测，含氮的高熵二维材料势必会表现出更加优异的物理化学性能。因此，亟待开发含氮高熵二维材料、含氮高熵MAX相材料及其制备方法。

目前，现有技术中制备MAX相材料的常用方法是高温烧结法，包括步骤：(1)将构成MAX相的单质粉末按照比例混合；(2)将粉末混合物装入玛瑙球磨罐中，用球磨机球磨若干小时；(3)将球磨完的混合粉末放入氧化铝坩埚中，在氩气保护下，置于管式炉中高温烧结。(4)反应完毕后待冷却到室温取出样品，研磨过筛，即得到MAX相粉体。但是，该方法在制备含有多元过渡金属元素的含氮MAX相材料时，加入四种以上的过渡金属单质，过渡金属元素单质在高温环境下易于与含氮的原料反应生成岩盐结构的过渡金属氮化物颗粒，从而无法制备得均相的中熵或高熵MAX相材料。

发明内容

本发明针对现有技术中的高温烧结法难以制备得到均相的含氮中熵或高熵MAX相材料的技术问题，提供一种含氮中熵或高熵MAX相材料的制备方法，步骤包括：以至少一种含氮的MAX相和数种不含氮的MAX相作为原料进行反应；其中，所述MAX相中的M的元素种类之和为四种以上，制备得到含氮中熵或高熵MAX相材料；或，以至少一种含氮的MAX相、数种过渡金属的单质或化合物和A的单质或化合物作为原料进行反应，所述MAX相中M的元素种类与所述数种过渡金属的元素种类之和为四种以上，制备得到含氮中熵或高熵MAX相材料。

在一些实施例中，得到的所述含氮中熵或高熵MAX相材料中，所述M选自IIIB、IVB、VB、VIB、VIIB、VIII、IB、IIB族中的至少四种金属元素；A选自ⅦB、Ⅷ、ⅠB、IIB、IIIA、IVA、VA和VIA族元素中的至少一种；X元素为氮元素及IIIA、IVA、VA和VIA中的至少一种非金属元素。