由于具有独特的d-带结构以及在费米能级和Pt相似的电子态，VB/VIB族过渡金属碳化物（TMCs）在很多催化反应中具有和Pt相似的催化性能，在有机催化和可再生清洁能源领域内有着重要的应用。因此，基于TMCs纳米催化剂的合成是极其重要的。由于此类TMCs合成温度高，这给此类TMCs纳米结构的合成带来了不少的困难。到目前为止，经过众多科学家的努力，已经在零维和一维TMCs的合成上取得了重大的进展，然而此类TMCs的二维纳米结构鲜有报道。中国科学院高能物理研究所陶举洲教授课题组一直致力于TMCs低维纳米结构的合成以及作为非贵金属催化剂的在可再生清洁能源领域内的应用开发。
为了解决电解水制氢中非贵金属催化剂在酸性介质中活性低、稳定性不够的难题，陶举洲教授课题组的何春勇博士首次设计合成了一种负载在石墨烯表面上的二维TaC纳米片，并将其作为取代贵金属Pt的非贵金属催化剂应用于电解水制氢。这种二维TaC纳米片/石墨烯（TaC-G）复合催化剂的催化析氢起峰电位非常小，只有19 mV，和Pt非常接近，Tafel斜率只有58 mV dec-1。
XANES的研究结果表明，TaC-G中的Ta会有部分负电子迁移到C上，使得Ta带正电荷，从而使得d-带中心降低，增加d-带填充，增强Fermi能级附近d-带电荷密度，Ta原子的电子局域化使得在析氢过程中和Hads的轨道重叠变得更难，因此能降低H的结合能和通过Hads析出H2的活化能，从而使得析氢活性提高。TaC-G中的石墨烯具有很高的电子迁移率，而且TaC纳米片的二维结构使得在析氢的过程的电荷转移的路径非常短，并且二维材料的比表面积大，具有矢量电子传输特性以及活性材料和集电体之间的优异接触，这些优异的特点使得TaC-G成为潜在优势明显的非贵金属电解水催化剂。这一研究工作将为进一步开发合成二维 TMCs并取代贵金属催化剂成为应用于可再生清洁能源中的非贵金属催化剂提供科学依据，为以性能为导向的创新二维纳米材料的设计和制备铺平道路。
这一研究成果在VB/VIB族二维TMCs的制备领域具有突破性意义，发表于RSC集团下的《Chemical Communications》上，并被选为封面文章。
该论文作者为：Chunyong He, Juzhou Tao
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/cc/c6cc03876j
Two-dimensional TaC nanosheets on a reduced graphene oxide hybrid as an efficient and stable electrocatalyst for water splitting
Chem. Commun., 2016, 52, 8810-8813, DOI: 10.1039/C6CC03876J
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