Phase controlled synthesis of transition metal carbide nanocrystals by ultrafast flash Joule heating

碳化物 材料科学 相(物质) 纳米晶 焦耳加热 纳米技术 化学工程 冶金 复合材料 化学 工程类 有机化学
作者
Bing Deng,Zhe Wang,Weiyin Chen,John T. Li,Duy Xuan Luong,Robert A. Carter,Guanhui Gao,Boris I. Yakobson,Yufeng Zhao,James M. Tour
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:13 (1) 被引量:88
标识
DOI:10.1038/s41467-021-27878-1
摘要

Abstract Nanoscale carbides enhance ultra-strong ceramics and show activity as high-performance catalysts. Traditional lengthy carburization methods for carbide syntheses usually result in coked surface, large particle size, and uncontrolled phase. Here, a flash Joule heating process is developed for ultrafast synthesis of carbide nanocrystals within 1 s. Various interstitial transition metal carbides (TiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC, Cr 2 C 3 , MoC, and W 2 C) and covalent carbides (B 4 C and SiC) are produced using low-cost precursors. By controlling pulse voltages, phase-pure molybdenum carbides including β-Mo 2 C and metastable α-MoC 1-x and η-MoC 1-x are selectively synthesized, demonstrating the excellent phase engineering ability of the flash Joule heating by broadly tunable energy input that can exceed 3000 K coupled with kinetically controlled ultrafast cooling (>10 4 K s −1 ). Theoretical calculation reveals carbon vacancies as the driving factor for topotactic transition of carbide phases. The phase-dependent hydrogen evolution capability of molybdenum carbides is investigated with β-Mo 2 C showing the best performance.
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