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：武漢理工大學材料復合新技術(shù)國家重點實驗室 時間：2017-06-06
近日，武漢理工大學材料復合新技術(shù)國家重點實驗室首次成功實現(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世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。近年來，過渡金屬碳化物由于具有類鉑的d電子結(jié)構(gòu)，被認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，迄今未見有具有高指數(shù)晶面金屬碳化物納米晶的相關(guān)研究報道。
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-碳化物非完全反應機制，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動力學的差異性，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渡層。該多孔碳層和過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或后續(xù)的電化學反應過程中進一步演化、消失。
通過密度泛函理論（DFT）計算并結(jié)合實驗研究表明，與常見的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渡層的雙重保護作用，TaC高指數(shù)（222）晶面納米晶在電催化制氫中表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性。
上述研究工作獨辟蹊徑，通過利用氯氣與碳化物不同晶面的高溫反應動力學差異性，解決了碳化物納米晶高指數(shù)晶面在合成及催化反應過程中難以穩(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。
