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徐卫林院士团队的万骏教授，与中国科学院深圳先进技术研究院金桓宇研究员合作，在《Susmat》上发表了题为“Microwave shock synthesis of porous 2D nonlayered transition metal carbides for efficient hydrogen evolution”的论文。武汉纺织大学为第一单位。樊淼、田浩然、吴植傲为共同第一作者。本论文通过微波热冲法成功突破了传统多孔二维碳化物的制备瓶颈，构建了具有独特多孔构型的非层状结构，显著提升了材料活性位点暴露及电子迁移效率。
《Susmat》期刊聚焦清洁能源、绿色催化、环境友好材料、污染治理以及可持续发展功能材料与器件等多学科交叉领域，在JCR中材料科学、化学、绿色可持续科学与技术领域位列Q1。
【文章信息】
Microwave shock synthesis of porous 2D nonlayered transition metal carbides for efficient hydrogen evolution
Miao Fan,† Haoran Tian,† Zhiao Wu,† Jiao Dai, Xiaorui Ma, Yongfei You, Jingru Huang, Yutong Feng, Wanting Ding, Huiyu Jiang, Weilin Xu, Huanyu Jin,* Jun Wan*
《Susmat》
Accepted: 17 October 2024
【研究背景】
二维非层状过渡金属碳化物在电催化、储能等领域展现出巨大的应用潜力，尤其在电催化析氢反应（HER）中。然而，二维非层状过渡金属碳化物的多孔化合成具有极大挑战，主要源于其在高温环境下的晶体生长与孔结构形成的内在矛盾（图1）。一方面，非层状碳化物具有高度稳定的晶体结构，使其在二维方向上的生长受到动力学障碍，难以有效地控制其晶体取向和尺寸；另一方面，多孔结构的构建需要精准调控原子间的扩散与成核过程，但碳化物在高温条件下容易发生颗粒团聚和堆积，这导致孔道难以均匀生成。此外，传统的选择性蚀刻与化学气相沉积等方法在合成过程中对同时实现二维结构与多孔特性的统一具有局限性，很难突破碳化物高结构强度和熔点的限制。因此，如何在高温环境下实现非层状碳化物的二维生长并构建稳定的多孔结构极具挑战性，这不仅涉及复杂的热力学和动力学过程，还要求开发出能够同时控制晶体生长和孔道形成的新型合成技术。
图1 多孔二维非层状过渡金属碳化物的合成挑战示意图
【本文要点】
微波热冲法的独特优势在于其瞬时高温和快速冷却，有效控制了二维结构的生成，同时抑制了纳米片堆积（图2）。多孔结构的形成依赖于微波瞬间能量输入所引发的氧化造孔与碳还原机制，促使材料内部产生均匀孔隙。通过微波的快速启停，二维纳米片在不影响其薄层结构的前提下实现了多孔化，展现出该方法在同时优化二维和多孔结构方面的卓越优势。
图2 微波热冲法制备多孔二维过渡金属碳化物的示意图与材料结构表征
二维与多孔结构在微波冲击过程中通过气体释放与高温聚合机制逐步演变（图3）。快速气体膨胀与氧化诱导作用协同促进了纳米片的成型与孔隙生成，确保了微观结构的高均匀性和稳定性。最终形成的二维多孔构型体现出自组织结构演变的可控性，揭示了微波热冲法在材料形貌调控中的独特优势。
图3 多孔二维过渡金属碳化物的结构演变
此外，微波热冲法还展现出对多种多孔二维过渡金属碳化物的广泛适用性（图4），如Mo2C、TaC和NbC，均能通过该策略成功构建二维多孔结构。该方法突破了传统合成路线的局限，为复杂结构材料的精准设计提供了可扩展性和灵活性。
图4 普适性制备研究
二维过渡金属碳化物的多孔结构通过显著提高活性位点的暴露，增强了电荷转移速率和中间体的吸附能力（图5）。氧空位和边缘缺陷通过调控电子结构，优化了HER过程中水分子的解离与氢吸附动力学，降低了活化能垒。此类构型的深层影响在于其能够有效促进双电子转移过程，提升反应速率并显著改善催化稳定性。
图5 二维碳化物的多孔构型对电催化析氢的影响机制研究
综上所述，微波热冲法作为一种新颖的合成策略，凭借其瞬时高温、快速冷却及多机制整合的独特优势，成功实现了二维多孔非层状过渡金属碳化物的高效制备。该方法在确保材料结构稳定性的同时，显著提升了电催化性能，尤其是在析氢反应中的表现。其广泛的适用性和出色的性能优化潜力，为其它能源材料的设计提供了新思路。
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