武汉理工大学新闻经纬讯 2018-10-30

金属/金属碳化物 （M/MC）异质结构由于具有高的活性、导电性及电化学稳定性，被认为是未来替代Pt基贵金属催化剂的理想材料之一。然而，由于层状材料不受晶格匹配的限制，其合成条件较为苛刻（如超高真空、高温及较长的合成周期）。因此，急需发展一种简单、通用而高效的合成M/MC材料的方法。

目前，利用氯化法从碳化物（MC）中提取非碳（M）原子生成碳化物衍生碳（CDC）已经被广泛报道。要实现碳化物向CDC转化，氯气与碳化物的摩尔比（χ）一般要大于5。在前期研究中，武汉理工大学木士春教授研究组通过适当降低χ对碳化物进行部分氯化，成功保留了其中的部分非碳原子（M），获得了一系列先进的异质原子（M）自掺杂碳材料和CDC封装碳化物材料（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1604904；ACS Energy Lett. 2018, 3, 184-190；Nano Energy 2017, 36, 374-380）。

在上述研究基础上，如果能从金属碳化物中提取碳（C）原子而保留非碳的同源金属原子（M）则有可能原位合成同源金属/金属碳化物（M/MC）异质结构。但该项研究极富有挑战性，目前尚未见文献报道。近期，该研究组通过对过渡金属碳化物氯化热力学过程的研究发现，如果进一步降低χ，则可实现其碳原子的提取。他们选择了碳化钨（WC）作为前驱体，当将χ降低至1.3时（反应温度为1000℃，反应时间为4h），通过氯气刻蚀，成功提取了碳化钨中的碳原子，获得了同源金属钨与碳化钨（W/WC）异质结构纳米带（图1）。将其用于光电催化产氢时，展现了优异的光电催化性能：在0V可逆氢电势下的光电流密度高达16 mA cm-2（图2）。密度泛函理论（DFT）计算表明，其优异的催化性能可归因于W/WC界面处加快的电子流动，从而降低金属W面的功函数，使其具有更接近0的氢吸附吉布斯自由能（图2）。该研究为从碳化物中提取碳并获得同源金属/金属碳化物异质结构复合材料提供了新的思路。研究成果已在线发表于Nanoscale Horizon 2018, DOI: 10.1039/C8NH00275D。

Nanoscale Horizon是英国皇家化学学会重点打造的纳米材料领域新旗舰期刊，其第一个影响因子（2017）已高达9.391。论文通讯作者为木士春教授，第一作者为博士研究生寇宗魁（目前为新加坡国立大学博士后研究人员），武汉理工大学为唯一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金项目（No. 51672204，51372186）支持。

图2  W/WC异质结构纳米带密度泛函理论（DFT）计算及光电催化产氢性能。