【纳米】超快合成硼化物纳米材料助力电解水制氢- 大数跨境

X-MOL资讯

2025-02-02

导读：福建师范大学蒲宗华教授、黄秋锋教授、韩敏教授与中科院赣江创新研究院陈庆军研究员及武汉理工大学木士春教授合作，他们借助焦耳热成功实现了纳米级、具有良好结晶性、从碱土到稀土元素的十五种金属硼化物

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

随着高新技术的迅速发展，人们对材料的性能提出了越来越高的要求。硼化物是一类间隙化合物，大部分硼化物中包含M-M金属键、B-B共价键、M-B离子键，硼化物的这些特点赋予其多种优异性能，如高熔点、高硬度、高耐磨性、和高抗腐蚀性。此外，某些硼化物还表现出高导电性，进一步拓展了其能源催化应用潜力。

当前，结晶性优良的硼化物构筑需要极其高的温度和/或压力，易引起烧结和/或团聚，且得到的样品颗粒尺寸大、比表面积低。近年来，尽管利用金属（Mg、 Al 等）还原法、熔融盐辅助可实现部分硼化物陶瓷的温和制备，但得到的产品后期需用酸、水等去除多余的金属还原剂及过量熔融盐，过程繁琐耗时、耗能，且高温下熔融盐对设备具有强烈的腐蚀性。因此，开发精准、温和、通用的方法来可控构筑比表面积大、尺寸小、结晶度良好的硼化物是非常需要的，但仍具挑战。

近日，福建师范大学蒲宗华教授、黄秋锋教授、韩敏教授与中科院赣江创新研究院陈庆军研究员及武汉理工大学木士春教授合作，他们借助焦耳热成功实现了纳米级、具有良好结晶性、从碱土到稀土元素的十五种金属硼化物（CaB₆、TiB₂、VB₂、CrB₂、MoB、MoB₂、MnB₂、MnB₄、FeB、CoB、NiB、RuB₂、RuB_1.1、LaB₆、CeB₆）的超快合成（≤60 s）。随后将RuB₂用于电解水析氢反应（HER）催化剂，其表现出类铂的催化活性、优异的稳定性及接近100%的法拉第效率。

图1. 金属硼化物的焦耳热合成示意图及十三种硼化物的晶体结构

此外，原位拉曼光谱证实Ru和B均是HER的催化活性位点。且通过优化电解液组成的微环境（0.5M H₂SO₄, 0.5M H₂SO₄+20 mmol K₂SO₄），可以进一步增强RuB₂的电解水析氢稳定性。更重要的是，实验和密度泛函理论（DFT）计算表明，RuB₂周围的H⁺和K⁺的共存对进一步提高稳定性起着至关重要的作用。

图2. RuB₂催化剂的原位拉曼及理论模拟分析

无疑，焦耳热辅助超快合成系列纳米级、良好结晶性的金属硼化物，及RuB₂所表现出的优异电解水制氢活性及稳定性，为金属硼化物材料的合成及应用开辟了新途径。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是福建师范大学刘婷婷讲师。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Ultrafast Synthesis of Nanoscale Metal Borides for Efficient Hydrogen Evolution

Tingting Liu, Chen Chen, Zonghua Pu, Qiufeng Huang, Jiadong Jiang, Min Han, Wei Chen, Guangtao Yu, Yuzhi Sun, Shengyun Huang, Qingjun Chen, Abdullah M. Al-Enizi, Ayman Nafady, Xueqin Mu, Shichun Mu

Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202425257

刘婷婷博士简介

刘婷婷，福建师范大学讲师，硕士生导师。2020年在西南大学获博士学位，随后在加拿大魁北克大学高等工程技术学院和加拿大国立科学研究院开展博士后研究工作。主要研究方向为电解水制氢、有机小分子电催化、电化学分析传感等。已在Angew. Chem.、Adv. Energy Mater.、ACS Energy Lett.、ACS Catal.等期刊发表SCI论文30余篇，申请/授权发明专利多项。获国家留学基金委博士奖学金、加拿大FRQNT 博士后奖学金等荣誉。

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣致力于理性设计、开发功能纳米材料及其在能源能量转换与存储材料及器件这种的应用。硼化物是一类间隙化合物，大部分硼化物中包含M-M金属键、B-B共价键、M-B离子键，硼化物的这些特点赋予其多种优异性能，如高熔点、高硬度、高耐磨性、和高抗腐蚀性。此外，某些硼化物还表现出高导电性，进一步拓展了其能源催化应用潜力。然而，传统合成方法通常需要高温和高压条件，导致成本高、能耗大，且所得材料的催化活性受限于较大的颗粒尺寸和较低的比表面积。因此，开发一种能够在温和条件下快速合成具有纳米结构和良好结晶性的金属硼化物的方法，对于提升硼化物在能源催化等领域的应用具有重要意义。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本项研究中最大的挑战是如何精准实现硼化物的超快合成，前驱体的种类选择、反应条件、温度、时间等的控制对产品的形成至关重要。我们团队在金属磷化物、硅化物、硼化物等金属间隙化合物的合成方面的经验积累起了至关重要的作用。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：硼化物作为一类间隙化合物，大部分包含有M-M金属键、B-B共价键和M-B离子键。这些特点赋予硼化物多种优异性能，如高熔点、高硬度、高耐磨性和高抗腐蚀性等。因此，以硼化物、碳化物、氮化物为基的各种合金或金属陶瓷，可用于制造火箭结构元件、航空装置元件、涡轮机部件、高温材料试验机的试样夹和仪器的部件、轴承和测量高温硬度用的锥头以及核能装置的某些构造件等。另部分稀土永磁硼化物，与许多电子信息产品息息相关。

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