非晶合金：助力“雙碳”目標(biāo)的新材料

張賀亭 阮文清 馬將

近年來，沙塵暴、高溫干旱、洪澇等自然災(zāi)害頻發(fā)，這與人類活動引起的溫室氣體排放，尤其是二氧化碳排放密切相關(guān)。

為了“雙碳”目標(biāo)（碳達峰和碳中和）的實現(xiàn)，各領(lǐng)域采取了相應(yīng)行動，主要包括能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整、制造業(yè)的轉(zhuǎn)型和新能源的優(yōu)化等。非晶合金作為一種新型合金，因高催化活性、耐腐蝕性以及環(huán)保、綠色可循環(huán)等特點脫穎而出。它常被用于制造醫(yī)療器械中的導(dǎo)絲、支架等，也被用于制造高性能的音響設(shè)備、運動器械和珠寶等。

什么是非晶合金？

非晶合金又稱金屬玻璃，是由金屬原材料熔煉而成；“玻璃”不是指我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷拇喽驳牟ＡВ侵高@種材料的結(jié)構(gòu)是一種玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)。中國科學(xué)院物理研究所的汪衛(wèi)華院士提出，非晶合金等玻璃態(tài)物質(zhì)是與氣、液、固并列的第四種常規(guī)物質(zhì)狀態(tài)——玻璃固態(tài)。

金屬熔體快速冷卻制備非晶合金示意圖（繪圖/ 張玲）

非晶合金的第一次“露面”緣自一次偶然的實驗，即美國加州理工大學(xué)的卡爾·文茨在研究晶體結(jié)構(gòu)和化合價完全不同的兩個元素能否形成固溶體時，偶然發(fā)現(xiàn)了非晶合金這種新材料。目前，我們生產(chǎn)非晶合金通常采用的是銅模噴鑄法，通過快的冷卻速率，使原子來不及形成有序排列的晶體結(jié)構(gòu)，最終絕大多數(shù)原子被“冷凍”下來。

非晶合金制成的高爾夫球桿

非晶合金具有獨特的熱塑性，表現(xiàn)為在一定溫度下可像橡皮泥一樣被任意變形拉扯，可根據(jù)需要得到想要的形狀。

大顯身手創(chuàng)佳績

隨著非晶合金的優(yōu)異性能逐漸被探索，其應(yīng)用逐漸發(fā)展到各個領(lǐng)域，如在電磁領(lǐng)域制作配電變壓器，用于電源管理的電信設(shè)備和傳感器等零部件；化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用于有機污染物的高級氧化物降解等。

在“雙碳”目標(biāo)的推動下，氫氣作為清潔能源受到越來越多的關(guān)注，最常見的制氫技術(shù)為電解法，但其能源消耗較高。發(fā)展高效的催化劑以降低能耗是極有必要的，非晶合金這種新型合金憑借其高導(dǎo)電性、較高的反應(yīng)活性及催化壽命，打開了催化領(lǐng)域一扇新的大門。

其中，利用非晶合金的熱塑性與可溶性模板結(jié)合對其形貌進行“人工調(diào)控”，是提高其反應(yīng)活性的重要組成部分。

以非晶合金粉末與可溶性的鹽顆粒氯化鈉（NaCl）為例，將二者相差不大的粉末顆粒均勻混合置于模具腔體中，加熱至非晶合金軟化，接著加壓使軟化的非晶合金填充顆粒空隙。冷卻后，將塊體置于溶液中去除氯化鈉顆粒，得到具有多孔結(jié)構(gòu)的非晶合金。

將具有多孔結(jié)構(gòu)的非晶合金用于電解水制氫，結(jié)果表明，在遠低于工業(yè)電解水制氫的電壓下，具有多孔結(jié)構(gòu)的非晶合金能夠產(chǎn)生大量的氫氣。

將一節(jié)干電池作為電源即可在非晶合金的催化下電解水，能觀察到非晶合金表面持續(xù)涌現(xiàn)出大大小小的氣泡（氫氣）。另外，保障催化劑的長時間穩(wěn)定性也是重要的“評價指標(biāo)”之一，對具有多孔結(jié)構(gòu)的非晶合金進行長達20天的測試發(fā)現(xiàn)，其催化效果一直保持穩(wěn)定。

除此之外，非晶合金在氧化還原反應(yīng)、析氧反應(yīng)中也表現(xiàn)出極高的催化活性。

相信非晶合金優(yōu)異的催化性能以及出色的循環(huán)使用性，將會在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，助力中國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

?多孔非晶合金制備示意圖（繪圖/張玲）

（責(zé)任編輯 / 李銀慧 美術(shù)編輯 / 周游）