纳米结构SiC在碳纤维上的瞬态和原位生长实现高耐久性催化

AFM：纳米结构SiC在碳纤维上的瞬态和原位生长实现高耐久性催化

研究背景

碳由于其高导电性、轻量化和易于功能化而被广泛用作催化剂载体。然而，针对环境条件苛刻的催化反应（如：高温和强化学氧化还原条件），碳基底经常遭受缓慢的氧化和腐蚀，进而导致负载催化剂的脱落或团聚，进而加剧了整体催化剂的性能退化。为了改善碳材料的抗腐蚀性能，合理设计并制备具有大表面和稳定结构的碳/SiC复合材料，有利于扬长避短并且充分发挥单一材料的优势，对高效催化至关重要。然而，Si-C的键能高达3000 KJ/mol，通常需要极高的合成温度（>1000 ），使得纳米结构SiC的可控合成具有一定挑战。同时，由于碳和碳化硅的物理性质差异（如热膨胀系数和晶格常数不匹配），二者之间的界面结合能力差。因此，制备具有高表面积和强界面连接且结构可控的碳/碳化硅纳米复合材料，实现碳和碳化硅有机结合具有重要意义和挑战。

成果简介

近日，华中科技大学姚永刚教授、宋波教授&中国科学院宁波材料技术与工程研究所黄庆教授等人开发了一种快速脉冲高温加热方法，实现了碳纤维表面纳米结构碳化硅（二维包覆层和一维纳米线）的原位构筑（如图1所示）。作者通过快速脉冲加热碳纤维至超高反应温度（>1750 ），从而诱导SiO蒸发并与高温碳纤维原位反应，形成均匀且紧密连接的SiC包覆层及表面大量SiC纳米线（CF/SiC-NW）。该制备过程中高温短时间的加热特点，不仅有效地提高了能源利用效率，同时也是可控制备SiC纳米结构的关键。

在该结构中，碳纤维作为骨架提供物理支撑和电/热传导作用，SiC包覆层作为保护层将碳纤维和外界环境隔离，避免碳纤维被腐蚀；同时，外层大量的SiC纳米线有效地增加了复合材料的表面积，有利于催化剂的分散。与纯碳纤维相比，CF/SiC-NW具有显著提升的抗腐蚀能力（高温空气氛围下，起始氧化温度提高77%；酸性或碱性条件下，抗电化学氧化腐蚀能力提高约55%）。进一步，负载Ir纳米颗粒催化剂后，应用于碱性条件下的析氧反应中，相比于CF@Ir，CF/SiC-NW@Ir表现出较好的电化学催化稳定性。此外，该方法具有很好的普适性，可应用于其他碳化物-碳纤维的复合功能材料制备（例如：碳纤维-碳化钨，碳纤维-碳化钛）。

相关文章以“Transient and in situ Growth of Nanostructured SiC on Carbon Fibers toward Highly Durable Catalysis”为题发表在《Advanced Functional Materials》（IF: 19.924）期刊上。

图1. （a）CF/SiC-NW合成过程及结构特点示意图，（b）CF/SiC-NW表面及截面形貌SEM照片，（c）抗氧化、抗腐蚀性能。

图2. CF/SiC-NW的合成过程及其结构表征：（a）制备过程的温度及电流曲线，（b-e）不同阶段产物形貌的SEM及TEM照片，（f）CF/SiC-NW@Ir和CF@Ir的电化学活性面积，（g-h）不同样品的物相结构分析，（i-k）CF/SiC-NW@Ir的XPS表面成分分析。

图3. CF/SiC-NW的合成机制分析：（a-f）不同温度及时间条件下的产物形貌表征及总结，（g-i）SiC纳米线的形成机制分析。

图4. CF/SiC-NW的稳定性：（a-c）0.5 M H2SO4 及（d-f）1 M KOH中，抗电化学腐蚀性能分析；（g-h）空气氛围下，抗高温氧化性能分析。

图5. CF/SiC-NW@Ir的电化学稳定性分析

文献信息

H. Zhang, Q. Ouyang, L. Yu, R. Hu, J. Wan, B. Song, Q. Huang, and Y. Yao, Adv. Funct. Mater. 2023, 2301375. DOI: 10.1002/adfm.202301375

https://doi.org/10.1002/adfm.202301375

通讯作者简介：

姚永刚，华中科技大学教授，华中学者，国家四青人才。师从美国马里兰大学胡良兵教授，并与多名国内外学者合作学习。长期从事瞬态高温合成与制造技术，特别是能源材料的设计开发与快速制造，助力国家能源转型及碳中和战略。成果在《Science》(封面)、《Science》(综述)、《Nature》、《Nat. Nano.》、《Nat. Cata.》等期刊发表，论文总被引用10000余次，入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”及科睿唯安“高被引科学家”榜单，并获得美国“2020 R&D 100 award”，2022 Metals Young Investigator Award，2022届阿里达摩院“青橙奖”（化学材料类）及《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国区先锋者称号。

课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/yao-hust

待遇优厚，常年有效：https://www.x-mol.com/groups/yao-hust/positions/15601

高薪联合培养博士后：https://www.x-mol.com/groups/yao-hust/positions/22001

宋波，华中科技大学教授，博士生导师。教育部联合基金创新团队项目负责人，国防创新特区“4D打印技术”主题专家组办公室主任，湖北省增材制造技术国际科技合作基地副主任。获国家基金委优秀青年基金、湖北省杰出青年基金，湖北省楚天学子等。Nano Materials Science、Metal、Advanced Powder Materials期刊编委、Engineering青年通讯专家、《金属学报》、《中国激光》“前沿激光制造”子刊青年编委、《中国有色金属学报》青年编委、《机械工程学报》“4D打印技术”客座编辑、《航空制造技术》“增材制造结构创新设计”、《金属学报》“增材制造材料创新设计”专栏客座主编等。

近年来，在Materials Today、Advanced Materials Technologies、Applied Materials Today、Acta Materialia、Acta Biomaterialia、Scripta Materialia、Additive Manufacturing、Engineering、Composites Part B等国际期刊发表SCI收录论文80余篇，SCI他引3000+次。参与制定3项增材制造相关的国家标准。先授权发明专利20余项；主编学术专著2部（包括ELSEVIER出版英文专著1部）。

黄庆，研究员，博士生导师，现任中科院宁波材料所先进能源材料工程实验室主任。研究方向主要聚焦在极端环境能源材料的开发与应用，包括三元层状陶瓷的新材料创制、极端环境下结构材料损伤行为和高安全能源系统复合材料的设计与应用等。在《Science》、《Nature Materials》、《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》、《Journal of the American Chemical Society》、《Advanced Materials》等高水平学术期刊发表论文370余篇，获引14000余次。申请专利146项（含9项国际专利），其中81项已获授权（含2项国际专利），著作2部（章）。