合肥研究院在碳包覆過渡金屬碳化物納米顆粒合成方面取得進展

2020-12-15 中國科學院

合肥研究院在碳包覆過渡金屬碳化物納米顆粒合成方面取得進展

2016-06-15 合肥物質科學研究院

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　　中國科學院合肥物質科學研究院研究員梁長浩課題組最近在碳包覆過渡金屬碳化物（TMC/C）納米顆粒合成方面取得進展，相關結果以全文的形式發表在Carbon 雜誌上(Carbon, 2016, 100, 590-599)。

　　過渡族金屬碳化物（TMC）是一種共價鍵、離子鍵和金屬鍵共存的特殊材料，因此展現出獨特的電學及力學性質。然而在應用過程中材料表面的碳易被氧化，導致材料表面結構發生改變，最終影響其物理與化學性能。此外，納米尺度的TMC在應用過程中還容易發生聚集，導致材料結晶再生長以及催化活性位點減少。近年來，碳包覆納米材料因其獨特的物理與化學性質而倍受關注，例如表面易功能化、抗氧化、抗酸鹼腐蝕、不容易團聚等，因此被廣泛應用於磁性數據存儲、電催化、生物工程等領域。綜上所述，若將表面穩定性高的碳材料製備成TMC的保護層，形成獨特的TMC/C核殼結構，那麼具有此特殊結構的複合材料將有可能成為電化學儲能設備中理想的電極材料。因此，發展一種簡單有效、溫和可控的方法製備尺寸均一的碳包覆過渡族金屬碳化物（TMC/C）納米材料具有重要意義。

　　最近，基於液相雷射熔蝕（Laser Ablation in Liquids, LAL）技術，固體所研究人員分別以無水乙醇和丙酮作為液相介質，成功製備了一系列TMC/C核殼結構納米材料，包括TaC/C、NbC/C、HfC/C和MoC/C（圖1 a-f）。結構分析表明，這類材料的內部TMC均表現為類似於NaCl型的立方相晶體結構，外殼為不同厚度的無定形碳。LAL實驗結果表明，液相分散介質的種類對於TMC/C核殼結構的形成具有決定性作用。例如，鉭靶材在丙酮中可以形成碳包覆過渡族金屬碳化物的核殼結構，即TMC/C，而在無水乙醇中並不能獲得類似結構的納米材料，此實驗說明丙酮比無水乙醇更有利於碳包覆層的形成。結合這些實驗結果，固體所研究人員提出了一種可能的TMC/C核殼結構形成機制。如圖1g所示，液相介質中，脈衝雷射與固體靶材作用，會在固-液界面上形成一個高溫、高壓的等離子體羽，該等離子體羽在液相介質中先後經歷快速絕熱膨脹和驟冷過程，最終湮滅。在此過程中，等離子體羽與液相介質的界面上，靶材剝離的成分與有機液相介質分解的含碳成分迅速結合，並成核、生長為金屬碳化物的納米顆粒，同時在其表面析出過飽和碳，最終在驟冷過程之後形成無定形碳包覆的核殼納米顆粒。該研究為TMC/C核殼結構的可控合成提供了一種簡單、綠色的普適性方法。此外，為研究TMC/C核殼結構納米材料的電學性質，固體所研究人員以TaC/C核殼納米結構為例，設計了一系列對比試驗，發現在超級電容器的應用中，此類結構的納米材料展現出了優越的倍率和循環性能（圖2）。

　　該工作得到國家重點基礎研究發展計劃（No. 2014CB931704）、國家自然科學基金和World Premier International (WPI) Center for Materials Nano-architectonics (MANA)的資助。

　　文章連結 

　　圖1. (a)是HfC/C核殼結構的TEM圖；(b)是TaC/C核殼結構的TEM圖；(c)和(d)是MoC/C核殼結構的TEM圖；(e)和(f)是NbC/C核殼結構的TEM圖；(g)是TMC/C核殼納米顆粒可能的形成機制。

 

　　圖2. (a)TaC/C 核殼結構在6.0 M KOH 溶液中的不同掃速下的循環伏安圖；(b)TaC/C核殼結構在不同電流密度下的充放電曲線；(c)TaC/C核殼結構與文獻報導中不同結構TaC材料的比容量對比；(d)TaC/C核殼結構的充放電循環曲線。

　　中國科學院合肥物質科學研究院研究員梁長浩課題組最近在碳包覆過渡金屬碳化物（TMC/C）納米顆粒合成方面取得進展，相關結果以全文的形式發表在Carbon 雜誌上(Carbon, 2016, 100, 590-599)。
　　過渡族金屬碳化物（TMC）是一種共價鍵、離子鍵和金屬鍵共存的特殊材料，因此展現出獨特的電學及力學性質。然而在應用過程中材料表面的碳易被氧化，導致材料表面結構發生改變，最終影響其物理與化學性能。此外，納米尺度的TMC在應用過程中還容易發生聚集，導致材料結晶再生長以及催化活性位點減少。近年來，碳包覆納米材料因其獨特的物理與化學性質而倍受關注，例如表面易功能化、抗氧化、抗酸鹼腐蝕、不容易團聚等，因此被廣泛應用於磁性數據存儲、電催化、生物工程等領域。綜上所述，若將表面穩定性高的碳材料製備成TMC的保護層，形成獨特的TMC/C核殼結構，那麼具有此特殊結構的複合材料將有可能成為電化學儲能設備中理想的電極材料。因此，發展一種簡單有效、溫和可控的方法製備尺寸均一的碳包覆過渡族金屬碳化物（TMC/C）納米材料具有重要意義。
　　最近，基於液相雷射熔蝕（Laser Ablation in Liquids, LAL）技術，固體所研究人員分別以無水乙醇和丙酮作為液相介質，成功製備了一系列TMC/C核殼結構納米材料，包括TaC/C、NbC/C、HfC/C和MoC/C（圖1 a-f）。結構分析表明，這類材料的內部TMC均表現為類似於NaCl型的立方相晶體結構，外殼為不同厚度的無定形碳。LAL實驗結果表明，液相分散介質的種類對於TMC/C核殼結構的形成具有決定性作用。例如，鉭靶材在丙酮中可以形成碳包覆過渡族金屬碳化物的核殼結構，即TMC/C，而在無水乙醇中並不能獲得類似結構的納米材料，此實驗說明丙酮比無水乙醇更有利於碳包覆層的形成。結合這些實驗結果，固體所研究人員提出了一種可能的TMC/C核殼結構形成機制。如圖1g所示，液相介質中，脈衝雷射與固體靶材作用，會在固-液界面上形成一個高溫、高壓的等離子體羽，該等離子體羽在液相介質中先後經歷快速絕熱膨脹和驟冷過程，最終湮滅。在此過程中，等離子體羽與液相介質的界面上，靶材剝離的成分與有機液相介質分解的含碳成分迅速結合，並成核、生長為金屬碳化物的納米顆粒，同時在其表面析出過飽和碳，最終在驟冷過程之後形成無定形碳包覆的核殼納米顆粒。該研究為TMC/C核殼結構的可控合成提供了一種簡單、綠色的普適性方法。此外，為研究TMC/C核殼結構納米材料的電學性質，固體所研究人員以TaC/C核殼納米結構為例，設計了一系列對比試驗，發現在超級電容器的應用中，此類結構的納米材料展現出了優越的倍率和循環性能（圖2）。
　　該工作得到國家重點基礎研究發展計劃（No. 2014CB931704）、國家自然科學基金和World Premier International (WPI) Center for Materials Nano-architectonics (MANA)的資助。
　　文章連結 

　　圖1. (a)是HfC/C核殼結構的TEM圖；(b)是TaC/C核殼結構的TEM圖；(c)和(d)是MoC/C核殼結構的TEM圖；(e)和(f)是NbC/C核殼結構的TEM圖；(g)是TMC/C核殼納米顆粒可能的形成機制。
 
　　圖2. (a)TaC/C 核殼結構在6.0 M KOH 溶液中的不同掃速下的循環伏安圖；(b)TaC/C核殼結構在不同電流密度下的充放電曲線；(c)TaC/C核殼結構與文獻報導中不同結構TaC材料的比容量對比；(d)TaC/C核殼結構的充放電循環曲線。

列印 責任編輯：葉瑞優

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