我校木士春教授在高指數(shù)晶面金屬碳化物納米晶合成方面取得重大突破
發(fā)布：武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 時(shí)間：2017-06-06
近日，武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室首次成功實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的高指數(shù)晶面金屬碳化物納米晶的可控制備，相關(guān)研究成果發(fā)表在納米能源領(lǐng)域著名期刊《Nano Energy》上（Constructing carbon-cohered high-index (222) faceted tantalum carbide nanocrystals as a
robust hydrogen evolution catalyst. Nano Energy, 2017, 36, 374-380. IF=11.553)。文章的第一作者為博士研究生寇宗魁，通訊作者為木士春教授。
作為一種新型、清潔、高效的能源載體，氫氣被視為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉础＝陙?lái)，過(guò)渡金屬碳化物由于具有類(lèi)鉑的d電子結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是一種極具潛力的低成本非Pt析氫（HER）電催化劑。前期研究表明，高指數(shù)晶面納米晶材料因具有低配位的臺(tái)階、扭結(jié)原子，可以大幅改善材料的電催化活性。因此，獲得高指數(shù)晶面金屬碳化物納米晶成為提升金屬碳化物HER催化活性的最有效途徑。然而，高指數(shù)晶面納米晶體因具有非常高的表面能，難以穩(wěn)定存在。因此，迄今未見(jiàn)有具有高指數(shù)晶面金屬碳化物納米晶的相關(guān)研究報(bào)道。
最近，我校木士春教授等研究人員利用他們前期創(chuàng)建的氯氣-碳化物非完全反應(yīng)機(jī)制，在高溫下采用氯氣部分刻蝕掉TaC塊體微裂紋處的Ta原子，成功將TaC塊體原位剪切為具有多孔碳層保護(hù)的TaC 高指數(shù)（222）晶面納米晶。除了在TaC高指數(shù)（222）晶面上原位形成多孔碳層外，由于氯氣與TaC不同晶面之間高溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的差異性，在高指數(shù)（222）晶面與原位形成的多孔碳層之間還形成了一層過(guò)渡層。該多孔碳層和過(guò)渡層的存在有效地避免了高指數(shù)晶面因具有超高的表面能在高溫反應(yīng)或后續(xù)的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中進(jìn)一步演化、消失。
通過(guò)密度泛函理論（DFT）計(jì)算并結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究表明，與常見(jiàn)的TaC材料相比，擁有高指數(shù)（222）晶面穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的TaC納米晶表現(xiàn)了非常優(yōu)異HER性能。在0.5 M H2SO4電解液中，該電催化劑僅需要146 mV的較低過(guò)電位即可獲得10 mA cm-2的析氫電流密度。此外，受益于原位形成的多孔碳層和過(guò)渡層的雙重保護(hù)作用，TaC高指數(shù)（222）晶面納米晶在電催化制氫中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。
上述研究工作獨(dú)辟蹊徑，通過(guò)利用氯氣與碳化物不同晶面的高溫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)差異性，解決了碳化物納米晶高指數(shù)晶面在合成及催化反應(yīng)過(guò)程中難以穩(wěn)定存在的難題。該重大研究成果將為今后制備具有高指數(shù)晶面的金屬碳化物納米晶體材料的制備提供了一種全新的思路。
