导读
MoAlB被认为是MAB相族中最有希望的抗氧化材料。上海交通大学机械与动力工程学院及材料科学与工程学院双聘倪娜副教授团队依托“交我算”平台的计算资源，首次系统地通过理论计算探索了MoAlB的各向异性氧化机制，并在此基础上识别出一种有效的策略来增强其抗氧化性，随后在实验中成功实现。理论计算揭示了MoAlB的各向异性氧化主要与O-Al键合的电子相互作用局部化程度的差异有关。在此基础上，设计了一系列过渡金属掺杂的MoAlB材料，以改善MoAlB在氧化抵抗力较弱的表面。研究结果发表在材料领域顶级期刊《Acta Materialia》上。
针对各向异性氧化行为的理论探索与机制揭示
MoAlB以其在高温下优异的抗氧化性能而备受关注。本工作的理论计算深入揭示了其各向异性氧化的微观机制，特别是在原子尺度上。通过对O2在MoAlB表面的吸附、电子结构以及O2的解离和吸附演变进行了详细分析。利用密度泛函理论(DFT)和从头算分子动力学(AIMD)，研究团队详细研究了氧原子在MoAlB不同晶面(010)和(111)的吸附自由能，揭示了各向异性的根本原因。
图1. 图形摘要
在本研究中，通过应用密度泛函理论（DFT）和从头算分子动力学（AIMD），研究团队系统地探索了MoAlB在原子尺度上的各向异性氧化行为。特别地，研究首先集中在理解氧原子在MoAlB不同表面（(010) 和 (111)晶面）的吸附自由能变化上。计算结果显示，氧原子在(010)晶面上的吸附自由能较低，表明该表面对氧化反应更为稳定。此外，通过AIMD模拟，研究团队观察到氧分子在(010)晶面上的解离和吸附过程，进一步揭示了其稳定的吸附位置和吸附后的界面电子结构。
此外，DFT计算还涉及到了表面电子结构的分析，进而理解不同晶面上的氧化倾向性。电子局域化程度的差异揭示了O-Al键在(010)晶面的稳定性高于(111)晶面，这一发现为MoAlB表面各向异性氧化行为提供了微观机制的理论支持。通过对表面各向异性的深入理解，本研究不仅提升了研究团队对材料氧化行为的认知，还指导了后续的实验掺杂策略的设计和优化。
图1. 在1373 K下，氧分子在MoAlB (010)晶面上的吸附几何构型演变：0飞秒(a)，80飞秒(b)，500飞秒(c)，1000飞秒(d)。
计算引导的实验设计和验证
在理论计算的指导下，研究团队设计了含锆（Zr）掺杂的MoAlB材料，旨在验证理论预测的氧化稳定性改进效果。通过DFT和AIMD的计算，预测了锆掺杂对MoAlB(111)晶面吸附自由能的影响，显示锆的引入显著降低了氧化自由能，预示着改善了该表面的抗氧化性能。实验上，通过固态反应合成了掺锆MoAlB，并通过非等温氧化动力学分析和氧化产物的微观结构分析，验证了理论设计的有效性。
实验结果显示，掺锆MoAlB在高温下表现出更佳的抗氧化性能，这与理论预测的吸附自由能降低和电子结构改善相符。此外，锆掺杂促进了保护性Al2O3氧化膜的形成，增加了形成挥发性产物的活化能，从而有效减少了材料表面氧化层的厚度，提升了材料的整体抗氧化能力。这些结果不仅证实了从理论到实验的有效转化，也展示了高性能计算在材料科学研究中的关键作用，为未来更多高性能抗氧化材料的开发提供了可靠的科学依据。
“交我算”加速科研成果产出
本研究中的计算工作得益于“交我算”平台上“思源一号”集群的计算资源。基于VASP软件的第一性原理计算，对算力及平台高性能计算资源的提供，为理论计算提供了强有力的保障，使研究团队能够在较短时间内完成复杂的理论分析和模拟，这对于深入理解材料的抗氧化机制及其改进策略具有重要意义。
论文致谢“交我算”思源一号高性能计算平台
结语
本研究通过理论计算与实验验证相结合的方法，深入探讨了MoAlB的各向异性氧化机制，并提出了通过锆掺杂提升其抗氧化性能的策略。计算结果与实验数据的高度一致性，验证了高性能计算在材料科学研究中的重要性和有效性，为高温环境中的材料应用提供更多理论依据和技术支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119431
来源：上海交通大学机械与动力工程学院