武漢理工大學新聞經緯訊 2018-10-30
金屬/金屬碳化物 （M/MC）異質結構由于具有高的活性、導電性及電化學穩定性，被認為是未來替代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、高溫及較長的合成周期）。因此，急需發展一種簡單、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）已經被廣泛報道。要實現碳化物向CDC轉化，氯氣與碳化物的摩爾比（χ）一般要大于5。在前期研究中，武漢理工大學木士春教授研究組通過適當降低χ對碳化物進行部分氯化，成功保留了其中的部分非碳原子（M），獲得了一系列先進的異質原子（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）異質結構。但該項研究極富有挑戰性，目前尚未見文獻報道。近期，該研究組通過對過渡金屬碳化物氯化熱力學過程的研究發現，如果進一步降低χ，則可實現其碳原子的提取。他們選擇了碳化鎢（WC）作為前驅體，當將χ降低至1.3時（反應溫度為1000℃，反應時間為4h），通過氯氣刻蝕，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）異質結構納米帶（圖1）。將其用于光電催化產氫時，展現了優異的光電催化性能：在0V可逆氫電勢下的光電流密度高達16 mA cm-2（圖2）。密度泛函理論（DFT）計算表明，其優異的催化性能可歸因于W/WC界面處加快的電子流動，從而降低金屬W面的功函數，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/金屬碳化物異質結構復合材料提供了新的思路。研究成果已在線發表于Nanoscale Horizon 2018, DOI: 10.1039/C8NH00275D。
Nanoscale Horizon是英國皇家化學學會重點打造的納米材料領域新旗艦期刊，其第一個影響因子（2017）已高達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（目前為新加坡國立大學博士后研究人員），武漢理工大學為唯一完成單位。該研究得到了國家自然科學基金項目（No. 51672204，51372186）支持。
圖1 W/WC異質結構納米帶的合成及微觀結構及成分表征。
圖2 W/WC異質結構納米帶密度泛函理論（DFT）計算及光電催化產氫性能。