【学术聚焦】2022年第13期：万骏教授团队在气相微波制备二维材料用于长寿命电催化析氢方面取得重大进展

近日，武汉纺织大学化学与化工学院、省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室万骏教授团队与姜会钰教授、澳大利亚阿德莱德大学金桓宇研究员合作，在国际顶级期刊Applied Catalysis B: Environmental（IF=24.3）上发表了题为“Microwave-Pulse Sugar-Blowing Assisted Synthesis of 2D Transition Metal Carbides for Sustainable Hydrogen Evolution”的论文。武汉纺织大学为第一单位，硕士生胡荣为第一作者。

电催化水裂解制氢是一种经济、清洁的碳中和策略。二维层状过渡金属碳化物（2D TMC）被认为是具有实际应用前景的析氢催化剂。但在实际应用中，2D TMC的服役寿命较短。通过构建超薄碳层，有望在不牺牲催化活性的前提下显著提高材料的稳定性。然而，目前2D TMC的合成方法主要为化学气相沉积法与MAX刻蚀法，需要长时间的高温反应或严苛的蚀刻工艺，难以实现反应的即时停止与均匀碳层的可控构筑。因此，开发一种快速、绿色、可控的策略来构筑超薄碳层终端修饰的2D TMC极具挑战性与重要性。

该论文提出了一种微波脉冲糖吹法，能快速、简便地实现超薄碳层支撑2D TMC的可控构筑（图1）。高温高能、即时可控的微波脉冲技术与定向拓扑的糖吹机制的创新性结合，能有效构建超薄碳层终端修饰的2D TMC。

图1.微波脉冲糖吹法制备2D TMC的示意图

不同于目前2D TMC的主要合成方法（化学气相沉积法与MAX刻蚀法），该策略能在完全避免氢氟酸等危险试剂引入的前提下，在极短时间内（3分钟）实现2D TMC的可控构筑。图2是以二维碳化钨为例的结构及形貌表征。可知产物的晶体结构为六方晶相的W₂C，形貌为二维超薄纳米片，具有大面积的高质量晶格条纹。同时，基于微波的即时可控优势，通过改变微波脉冲方式可实现碳层1nm、5nm、15nm厚度的有效调节。

图2.2D W₂C的结构及形貌表征

在高能微波的可控脉冲下，聚合物会发生热力学弛豫效应，形成具有超薄碳层修饰的定向拓扑二维结构。利用微波脉冲法的即时可控优势，随时抽取不同反应阶段的样品进行类原位表征，可清晰展示聚合物热解、碳化物鼓泡以及破裂二维化等结构演变过程（图3）。

图3.2D W₂C的二维结构演变机制

此外，该策略可在三分钟内普适性地制备多种2D TMC。图4分别展示了二维W₂C、WC、Mo₂C、MoC纳米片的晶体结构以及二维形貌。

图4.微波脉冲糖吹法对二维过渡金属碳化物的普适性制备

所制备的超薄碳层（1nm）修饰的2D W₂C在电催化析氢反应中能展现优异的催化活性与超长循环寿命（100h）（图5）。这种自组装、可扩展、低成本的策略为快速设计具有长服役寿命的2DTMC提供了一种新思路。

图5.2D W₂C的电催化析氢活性与循环寿命性能

通讯作者简介：

万骏，男，1990年生，武汉纺织大学特聘教授，化学与化工学院。本、博及博士后毕业于华中科技大学。省部共建纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室研究人员。获批湖北省人才项目、国家留学基金委全额资助赴新加坡国立大学访问学者。长期从事新能源纳米材料的新型制备与高性能智能纺织品的研究。主持及参与国家自然科学基金3项、湖北省自然科学基金1项、湖北省教育厅人才项目1项、中国博士后科学基金1项、国家及省重点实验室基金4项。以第一作者及通讯作者身份在Adv. Funct. Mater.、Appl.Catal. B: Environ.、J. Mater. Chem. A、Carbon、Carbohyd. Polym.等学术期刊发表论文17篇。已授权中国发明专利3项。担任Front. Mater.、Polymers客座编辑、Front. Chem.评审编辑、武汉纺织大学学报编委、新加坡Viser专家库材料专家委员会委员、湖北省化学化工学会会员。

论文链接：

Rong Hu^#, Huiyu Jiang^#, Jinglin Xian^#, Shiyun Mi, Liyun Wei, Guangyu Fang, Jiayue Guo, Siqi Xu, Ziyang Liu, Huanyu Jin*, Weilin Xu, Jun Wan*, Microwave-Pulse Sugar-Blowing Assisted Synthesis of 2D Transition Metal Carbides for Sustainable Hydrogen Evolution.Applied Catalysis B: Environmental 2022,121728

全文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337322006695

往期链接：

【学术聚焦】2022年第12期：周勤教授团队在光孤子研究领域取得系列新成果https://news.wtu.edu.cn/info/1003/32210.htm

【学术聚焦】2022年第11期：化工学院卿光焱教授课题组在《NPG Asia Materials》期刊发表研究成果https://news.wtu.edu.cn/info/1003/32104.htm

【学术聚焦】2022年第10期：计算机与人工智能学院欧阳君博士论文被国际计算机视觉顶级会议录用https://news.wtu.edu.cn/info/1003/31291.htm