武漢理工大學(xué)新聞經(jīng)緯訊 2018-10-30
金屬/金屬碳化物 （M/MC）異質(zhì)結(jié)構(gòu)由于具有高的活性、導(dǎo)電性及電化學(xué)穩(wěn)定性，被認(rèn)為是未來(lái)替代Pt基貴金屬催化劑的理想材料之一。然而，由于層狀材料不受晶格匹配的限制，其合成條件較為苛刻（如超高真空、高溫及較長(zhǎng)的合成周期）。因此，急需發(fā)展一種簡(jiǎn)單、通用而高效的合成M/MC材料的方法。
目前，利用氯化法從碳化物（MC）中提取非碳（M）原子生成碳化物衍生碳（CDC）已經(jīng)被廣泛報(bào)道。要實(shí)現(xiàn)碳化物向CDC轉(zhuǎn)化，氯氣與碳化物的摩爾比（χ）一般要大于5。在前期研究中，武漢理工大學(xué)木士春教授研究組通過(guò)適當(dāng)降低χ對(duì)碳化物進(jìn)行部分氯化，成功保留了其中的部分非碳原子（M），獲得了一系列先進(jìn)的異質(zhì)原子（M）自摻雜碳材料和CDC封裝碳化物材料（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1604904；ACS Energy Lett. 2018, 3, 184-190；Nano Energy 2017, 36, 374-380）。
在上述研究基礎(chǔ)上，如果能從金屬碳化物中提取碳（C）原子而保留非碳的同源金屬原子（M）則有可能原位合成同源金屬/金屬碳化物（M/MC）異質(zhì)結(jié)構(gòu)。但該項(xiàng)研究極富有挑戰(zhàn)性，目前尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。近期，該研究組通過(guò)對(duì)過(guò)渡金屬碳化物氯化熱力學(xué)過(guò)程的研究發(fā)現(xiàn)，如果進(jìn)一步降低χ，則可實(shí)現(xiàn)其碳原子的提取。他們選擇了碳化鎢（WC）作為前驅(qū)體，當(dāng)將χ降低至1.3時(shí)（反應(yīng)溫度為1000℃，反應(yīng)時(shí)間為4h），通過(guò)氯氣刻蝕，成功提取了碳化鎢中的碳原子，獲得了同源金屬鎢與碳化鎢（W/WC）異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶（圖1）。將其用于光電催化產(chǎn)氫時(shí)，展現(xiàn)了優(yōu)異的光電催化性能：在0V可逆氫電勢(shì)下的光電流密度高達(dá)16 mA cm-2（圖2）。密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，其優(yōu)異的催化性能可歸因于W/WC界面處加快的電子流動(dòng)，從而降低金屬W面的功函數(shù)，使其具有更接近0的氫吸附吉布斯自由能（圖2）。該研究為從碳化物中提取碳并獲得同源金屬/金屬碳化物異質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料提供了新的思路。研究成果已在線發(fā)表于Nanoscale Horizon 2018, DOI: 10.1039/C8NH00275D。
Nanoscale Horizon是英國(guó)皇家化學(xué)學(xué)會(huì)重點(diǎn)打造的納米材料領(lǐng)域新旗艦期刊，其第一個(gè)影響因子（2017）已高達(dá)9.391。論文通訊作者為木士春教授，第一作者為博士研究生寇宗魁（目前為新加坡國(guó)立大學(xué)博士后研究人員），武漢理工大學(xué)為唯一完成單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 51672204，51372186）支持。
圖1 W/WC異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶的合成及微觀結(jié)構(gòu)及成分表征。
圖2 W/WC異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶密度泛函理論（DFT）計(jì)算及光電催化產(chǎn)氫性能。