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新加坡南洋理工大学发明全新二维结构金属掺杂的碳化钨,可实现高效稳定的氢气产生

作者: Research编辑部

时间: 2019-12-13 15:55

近期,新加坡南洋理工大学颜清宇教授、张华教授课题组发明了一种全新的二维结构金属掺杂的碳化钨,可以实现高效稳定的氢气产生。这种纯相碳化钨具有高导电性,优异的耐受性和二维纳米结构的优点,对电化学应用(例如:电催化,锂空气电池,超级电容器,化学和生物传感等等)极具潜力。研究还证实,通过化学掺杂金属到碳化钨中,可以改变碳化钨的电子特性,从而显著改善电化学性能。这将为电化学领域的研究开辟新的方向。该工作以“Highly Efficient and Stable Hydrogen Production in all pH range by Two-Dimensional Structured Metal Doped Tungsten Semicarbides” 为题目发表在Research上。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

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论文地址:https://spj.sciencemag.org/research/2019/4029516/

研究背景

水电解产生氢气越来越有吸引力是因为它具有能量密度高,对环境友好等优点。贵金属例如铂,是最有效的析氢反应电催化剂,具有快速反应动力学和低过电位驱动等特点。但是,用铂做催化剂成本太高,严重阻碍了它的广泛应用。因此,开发成本低,稳定性高,催化性能优异的替代电催化剂是电催化剂研究者们亟待解决的问题。

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研究工作简介

目前,人们正迫切地寻求选择性合成具有特定纳米结构和可调电催化性能的碳化钨的合适方法,新加坡南洋理工大学的颜清宇教授(Professor Yan Qingyu), 张华教授(Professor Zhang Hua), 洪辉祥博士(Dr. Edison Ang Huixiang)和博士生Dinh Ngoc Khang研发出全新二维结构金属掺杂的碳化钨(Ni-W2C)(图1),能够高效稳定地产生氢气。令人印象深刻的是,镍掺杂的碳化钨纳米片(2原子百分比的镍)表现出与商业铂接近的析氢反应电催化的优异性能。

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图1 电子显微镜图像: 镍掺杂的碳化钨纳米片(2原子百分比的镍)

研究者们进一步解释:“掺杂金属,特别是碳化钨中的镍可以改变电催化剂的电子结构,从而提高析氢反应的电化学性能”。另外,碳化钨在较宽pH范围内具有优异的耐腐蚀性,这使得电化学性能稳定。最重要的是,碳化钨的价格仅为具有类似电化学解构的商用铂电催化剂的20%

核心内容介绍

研究发现,镍掺杂的碳化钨纳米片为电子传输提供了有效途径,垂直排列的二维纳米结构为析氢反应提供了高表面积。在金属掺杂的碳化钨纳米片中,镍掺杂的碳化钨纳米片(2原子百分比的镍)表现出接近铂的析氢反应性能,分别在酸性(pH = 0),中性(pH = 7.2)和碱性(pH = 14)条件下,起始过电位仅为4、9和19 mV,塔菲尔斜率分别为39、51和87 mV/dec (图2)。

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图2 析氢反应金属掺杂碳化钨与商用铂在酸性,中性和碱性溶液中的电化学性能

鉴于2%金属掺杂碳化钨纳米片的高电催化活性(金属掺杂剂 = 铁、钴和镍),使用循环伏安法测试了与测量的双层电容成比例的电化学有效表面积(图3)。

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图3 电化学活性区分析

结果表明,2%镍掺杂碳化钨纳米片的析氢反应活性仍然是最佳的。析氢反应活性的提高不仅因为电化学表面积的增加,还因为2%金属掺杂的碳化钨纳米片的高内在活性,特别是当金属掺杂剂是镍时。

此外,研究者们还进行了密度泛函理论(DFT)计算以了解这种杰出的析氢反应活性的缘由。结果表明,与W2C的 -0.16 eV相比,Ni吸附Ni-W2C的吉布斯自由能(GH* = -0.073 eV)更接近Pt的最佳值(0 eV)(图4)。

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图4 密度函数理论计算

未来展望

毫无疑问,这种纯相碳化钨具有高导电性,优异的耐受性和二维纳米结构的优点,对电化学应用(例如:电催化,锂空气电池,超级电容器,化学和生物传感等等)极具潜力,其中导电性是高性能的关键参数之一。作者还证实,通过化学掺杂金属到碳化钨中,可以改变碳化钨的电子特性,从而显著改善电化学性能。这将为电化学领域的研究开辟新的方向。

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作者简介

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颜清宇教授目前是新加坡南洋理工大学材料学院的全职教授。他获得南京大学材料科学与工程学士学位。他在纽约州立大学石溪分校材料科学与工程系获得博士学位。之后,他加入了伦斯勒理工学院材料科学与工程系,担任博士后研究员。他于2008年初加入南洋理工大学材料科学与工程学院担任助理教授,并于2013年成为副教授。截至2019年,他已发表了260多篇论文,总引文数超过19000次,H指数为73 。是2018年材料科学的“高被引学者 (汤森路透)。

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张华教授目前是香港城市大学化学系的讲席教授(Chair Professor)。他在南京大学获得了学士和硕士学位,并在北京大学完成博士学位。截至2019年,他已申请了73项专利,发表了460多篇论文,总引文数超过60000次,H指数为120 (Web of Science) 。是2015-2018年化学和材料科学的“高被引学者”(汤森路透),2014年材料科学的“高被引学者 (汤森路透)。在2015年被列为19位世界 “Hottest Researchers of Today” in the World’s Most Influential Scientific Minds 2015 (汤森路透, 2015),2014年被列为17位 “Hottest Researchers of Today”并在Materials and More 领域排名第一 (汤森路透, 2014)。

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