我校木士春教授在高指数晶面金属碳化物纳米晶合成方面取得重大突破
发布：武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室 时间：2017-06-06
近日，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室首次成功实现了稳定的高指数晶面金属碳化物纳米晶的可控制备，相关研究成果发表在纳米能源领域著名期刊《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)。文章的第一作者为博士研究生寇宗魁，通讯作者为木士春教授。
作为一种新型、清洁、高效的能源载体，氢气被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。近年来，过渡金属碳化物由于具有类铂的d电子结构，被认为是一种极具潜力的低成本非Pt析氢（HER）电催化剂。前期研究表明，高指数晶面纳米晶材料因具有低配位的台阶、扭结原子，可以大幅改善材料的电催化活性。因此，获得高指数晶面金属碳化物纳米晶成为提升金属碳化物HER催化活性的最有效途径。然而，高指数晶面纳米晶体因具有非常高的表面能，难以稳定存在。因此，迄今未见有具有高指数晶面金属碳化物纳米晶的相关研究报道。
最近，我校木士春教授等研究人员利用他们前期创建的氯气-碳化物非完全反应机制，在高温下采用氯气部分刻蚀掉TaC块体微裂纹处的Ta原子，成功将TaC块体原位剪切为具有多孔碳层保护的TaC 高指数（222）晶面纳米晶。除了在TaC高指数（222）晶面上原位形成多孔碳层外，由于氯气与TaC不同晶面之间高温反应动力学的差异性，在高指数（222）晶面与原位形成的多孔碳层之间还形成了一层过渡层。该多孔碳层和过渡层的存在有效地避免了高指数晶面因具有超高的表面能在高温反应或后续的电化学反应过程中进一步演化、消失。
通过密度泛函理论（DFT）计算并结合实验研究表明，与常见的TaC材料相比，拥有高指数（222）晶面稳定结构的TaC纳米晶表现了非常优异HER性能。在0.5 M H2SO4电解液中，该电催化剂仅需要146 mV的较低过电位即可获得10 mA cm-2的析氢电流密度。此外，受益于原位形成的多孔碳层和过渡层的双重保护作用，TaC高指数（222）晶面纳米晶在电催化制氢中表现出优异的电化学稳定性。
上述研究工作独辟蹊径，通过利用氯气与碳化物不同晶面的高温反应动力学差异性，解决了碳化物纳米晶高指数晶面在合成及催化反应过程中难以稳定存在的难题。该重大研究成果将为今后制备具有高指数晶面的金属碳化物纳米晶体材料的制备提供了一种全新的思路。
