非晶合金：助力“雙碳”目標的新材料

張賀亭 阮文清 馬將

近年來，沙塵暴、高溫干旱、洪澇等自然災害頻發，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。

為了“雙碳”目標（碳達峰和碳中和）的實現，各領域采取了相應行動，主要包括能源結構的調整、制造業的轉型和新能源的優化等。非晶合金作為一種新型合金，因高催化活性、耐腐蝕性以及環保、綠色可循環等特點脫穎而出。它常被用于制造醫療器械中的導絲、支架等，也被用于制造高性能的音響設備、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”不是指我們日常生活中常見的脆而硬的玻璃，而是指這種材料的結構是一種玻璃態結構。中國科學院物理研究所的汪衛華院士提出，非晶合金等玻璃態物質是與氣、液、固并列的第四種常規物質狀態——玻璃固態。

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的卡爾·文茨在研究晶體結構和化合價完全不同的兩個元素能否形成固溶體時，偶然發現了非晶合金這種新材料。目前，我們生產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構，最終絕大多數原子被“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，表現為在一定溫度下可像橡皮泥一樣被任意變形拉扯，可根據需要得到想要的形狀。

大顯身手創佳績

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

在“雙碳”目標的推動下，氫氣作為清潔能源受到越來越多的關注，最常見的制氫技術為電解法，但其能源消耗較高。發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電性、較高的反應活性及催化壽命，打開了催化領域一扇新的大門。

其中，利用非晶合金的熱塑性與可溶性模板結合對其形貌進行“人工調控”，是提高其反應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，得到具有多孔結構的非晶合金。

將具有多孔結構的非晶合金用于電解水制氫，結果表明，在遠低于工業電解水制氫的電壓下，具有多孔結構的非晶合金能夠產生大量的氫氣。

將一節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涌現出大大小小的氣泡（氫氣）。另外，保障催化劑的長時間穩定性也是重要的“評價指標”之一，對具有多孔結構的非晶合金進行長達20天的測試發現，其催化效果一直保持穩定。

除此之外，非晶合金在氧化還原反應、析氧反應中也表現出極高的催化活性。

相信非晶合金優異的催化性能以及出色的循環使用性，將會在更多領域發揮重要作用，助力中國實現“雙碳”目標。

?多孔非晶合金制備示意圖（繪圖/張玲）

（責任編輯 / 李銀慧 美術編輯 / 周游）