【摘 要】
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二维过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物（MXenes）是一种新型的二维材料。其通式为Mn+1XnTx（n=1-3）,其中M代表早期的过渡金属,X表示C或者N,T表示表面官能团（比如羟基,氧或氟）。该材料具有高比表面积,高导电率,空间结构大等的特点,并且在电化学储能,传感器以及吸附等方面有广泛的应用,从2011年Ti3C2Tx首次被报道合成,MXenes很快引起了人们的关注,并在随后的几年中迅速发展。
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二维过渡金属碳化物、碳氮化物和氮化物（MXenes）是一种新型的二维材料。其通式为Mn+1XnTx（n=1-3）,其中M代表早期的过渡金属,X表示C或者N,T表示表面官能团（比如羟基,氧或氟）。该材料具有高比表面积,高导电率,空间结构大等的特点,并且在电化学储能,传感器以及吸附等方面有广泛的应用,从2011年Ti3C2Tx首次被报道合成,MXenes很快引起了人们的关注,并在随后的几年中迅速发展。基于MXenes的优异性质和多方面的应用价值,考虑到Si元素和C元素在同一个主族,我们对最常见的MXenes结构进行了原子替换,利用第一性原理计算,进而设计了十种不同的二维过渡金属硅化物单层M2Si（M表示过渡金属,M=Sc,Ti,V,Cr,Mn,Co,Zn,Y,Nb,Mo）。在这些二维材料中,每个Si原子与周围六个过渡金属M原子相连,每个过渡金属M原子与三个Si原子键合,呈现出一种M/X/M的夹心层状结构。通过考察这些二维晶体的结合能,分析声子谱和第一性原理分子动力学模拟的稳定性筛选,我们发现八种M2Si（M=Sc,Ti,Mn,Co,Zn,Y,Nb,Mo）单层材料具有动力学稳定,三种M2Si（M=Mn,Co,Y）结构同时具有热学稳定。因此我们进一步对这三种稳定的M2Si材料进行了磁学性质和电学性质的考察,发现这三种稳定的M2Si结构都显示金属性,其中Mn2Si和Co2Si具有反铁磁性质,而Y2Si无磁性。此外,通过模拟H2、N2、O2分子在这三种稳定M2Si材料上的吸附行为,发现它们对H2和N2不具有化学反应活性,而O2会自发解离,说明这些单层极易被氧化,并且表面被氧化的Y2Si仍然是无磁性金属。考虑到MXenes是析氢反应（HER）极好的电催化剂,以及这三种稳定的M2Si材料具有金属性,我们又进一步研究了这三种单层材料对HER的电催化性能,最终发现Y2Si在低氢覆盖率下的析氢反应中表现出最佳的催化性能,是非常有前景的电催化剂。我们的理论计算发现了三种稳定的二维过渡金属硅化物,并且发现这些材料在电子学和电催化领域具有潜在的应用价值。
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