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中国科大联用大科学装置解析抗腐蚀MAX结构

中国科学技术大学

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近日，中国科大宋礼教授课题组联合散裂中子源科学中心何伦华研究员团队以具有“双A层”特征的221型MAX-like前驱体Mo2Ga2C为模型，通过SnCl2Lewis酸熔盐反应成功构建了原子尺度异质MAX结构。同时，联合同步辐射光源装置的原位高温同步辐射X射线衍射（SRXRD）和中国散裂中子源装置的中子粉末衍射（NPD），并结合原子分辨扫描透射电子显微镜（STEM）/能量色散X射线（EDX）光谱与密度泛函理论（DFT）计算，系统揭示了Ga→Sn的A位取代路径、结构从“双A层”到“单A层”的重构机制及其与耐腐蚀性能提升之间的内在关联。测试结果表明，该过程会形成Mo2SnC与Mo2Ga0.5Sn0.5C组成的异质MAX，相比原始Mo2Ga2C在酸/碱/盐介质中表现出更高的结构稳定性与更优的耐腐蚀性能。相关研究成果以“In-Situ Synchrotron Radiation and Neutron Diffraction Reveal A‑Site Substitution Pathways and Structural Reconstruction in Mo2Ga2C MAX-like Phase”为题，发表于国际学术期刊《先进材料》。

图：In-situ SRXRD and neutron diffraction dynamic tracking and quantitative analysis of the structural evolution of Mo₂Ga₂CMAX

由金属元素（M）、主族元素（A）和碳/氮/硼元素（X）组成的MAX材料兼具金属与陶瓷的双重特性，在能源、化工与海洋等领域具有重要应用潜力。然而在酸、碱及含氯盐等苛刻介质中，A层元素往往发生选择性溶出，进而诱发结构失稳并导致性能快速衰减，严重制约其在海洋工程、化学反应器和电化学体系等极端工况下的长期服役。因而，从原子尺度上厘清A位取代与结构演化的内在机制，并在此基础上提升A层的化学耐久性，是拓展MAX材料应用边界的关键科学问题。

本工作以具有“双A层”特征的221型MAX-like前驱体Mo₂Ga₂C为模型，采用SnCl₂Lewis酸熔盐反应实现A位元素调控并制备新相。研究团队首先结合XRD与NPD开展联合Rietveld精修，对产物的结构与元素占位进行定量解析，结果表明反应后获得由两种单A层六方相组成的异质MAX结构：Mo₂SnC与Mo₂Ga_0.5Sn_0.5C。原子分辨STEM/EDX元素映射进一步给出直接证据，两相在原子尺度呈交替分布，形成原子尺度的异质结构。在明确最终结构组成后，研究进一步通过高温原位同步辐射原位XRD追踪合成过程，揭示了Ga→Sn的逐步取代与结构重构路径：随着温度的升高，SnCl₂熔融并参与反应，Ga从A位逐步脱出，Sn持续进入并完成取代，体系经历Mo₂(Ga_xSn_1-x)₂C等中间固溶体阶段，并伴随A层由“双层”向“单层”转变，最终演化生成两种MAX相共存。DFT计算进一步证实了上述合成机制。性能测试显示，该异质MAX在HF、强酸水热以及酸/碱/盐电化学腐蚀条件下更不易发生结构破坏，腐蚀电流密度更低、腐蚀速率更小。研究认为，这一提升一方面来自Sn取代带来的本征稳定化，另一方面与腐蚀过程中形成致密SnO₂钝化层的表面保护作用密切相关，为面向苛刻化学环境的MAX材料设计提供了新的思路。