铝基非晶合金的化学功能特性研究
日期:2020-01-20, 查看:261

       社会的快速发展对能源产生迫切需求,也导致了一系列危及自身生存和发展的环境问题,解决能源开发与环境之间的矛盾冲突是当今世界面临的巨大挑战。过去几年,非晶合金磁电功能特性研究团队围绕着铝基非晶合金在环境和能源方面的功能特性开展了一系列研究,期望为这份伟大事业添砖加瓦。我们主要通过两个方面着手:一开发能够用来清洁水污染的铝基非晶合金;二探究铝基非晶合金在储能和析氢等能源方面的应用。我们发现铝基非晶合金作为功能材料具有重要的应用价值。

       印染等有机污水是工业污水的重要污染源,近年来国内外同行发现铁基、镁基、钴基等非晶合金在降解偶氮染料溶液方面具有优异的性能,其褪色速率可以达到相应晶态合金的几十甚至上千倍。我们前期通过球磨法引入残余应力提高铁基和镁基非晶合金粉表面能量状态,显著提高了其降解偶氮染料活性,降解偶氮染料速率分别达到商业铁粉的200倍和1000倍【Adv. Funct. Mater. 22, 2567 (2012). Sci. Rep. 2, 418 (2012).中国材料进展(Materials China)33(5), 270 (2014)】。然而,一般情况下褪色速率随着溶液pH值的升高会迅速降低。考虑到实际染料污水很多都是碱性溶液,因此开发在碱性溶液中可以快速褪色的非晶合金体系对促进其应用有重要意义。为了解决这个问题,我们组王佩佩同学等人发现铝基非晶合金可以在较宽pH范围内都可以快速降解偶氮染料。而且在碱性(pH=12)和酸性(pH=2)溶液中比中性条件下降解速率快1.5和189倍。研究表面结构和元素成分表明,铝元素首先发生去合金化反应,表面形成富镍和富钇纳米多孔层,从而增强染料吸附的作用,加快染料褪色降解过程。这些结果表明铝基非晶合金在降解碱性、酸性和中性染料污水方面都有良好的应用前景。相关结果发表在J. Alloys Compounds 701,759(2017)

图一、Al基非晶合金降解偶氮染料溶液效果、溶液浓度衰减曲线和反应后表面形貌图。

       纳米多孔材料由于比表面积大,成分可调,在催化、储能等诸多技术领域引起了人们的广泛关注。我们组杨浩、姚阿艳等人在上面工作的基础上继续深入研究了合金成分、晶化组织结构等因素对AlNiCo非晶合金去合金化形成纳米多孔结构的影响,并研究了其赝电容特性。杨浩同学发现3 at.%铜的加入可使纳米孔复合材料的比电容增加至1.22 F cm2,工作发表在J. Alloys Compounds 703,461(2017)。姚阿艳同学进一步通过引入预晶化工艺,设计出具有三重尺寸的多级纳米多孔复合结构,纳米多孔支架也形成了金属/氧化物核壳复合结构,从而大幅提高了离子和电子的输运特性,最终比电容增加至3.35 F cm2,文章发表在J. Alloys Compounds 772,164(2019)。由于Al基非晶合金弹性好、强度高,这种高储能密度纳米多孔材料有望作为柔性自支撑超级电容器电极获得应用。

图二、铝基非晶合金柔韧性演示和不同纳米材料赝电容的倍率特性对比。

       非晶合金作为非平衡材料,其最大特点就是可以在非常宽的成分范围内添加不同合金元素,这样可以实现材料的多功能化。我们课题组鞠嵩、冯静清等人以Al基非晶合金为基体,少量添加贵金属元素控制材料成分,探索开发高性能活性的析氢催化剂,成功开发出Al80Ni6Co3Mn3Y5Au3非晶合金材料,发现其在酸性环境中析氢反应过电位约为70 mV @ 10 mA cm-2,Tafel斜率约为39 mV dec-1,可与商业贵金属Pt/C电极(33 mV @ 10 mA cm-2, 38 mV dec-1)相媲美。通过微结构和反应机制研究,我们发现这种高催化活性是可以归因于表面形成的多组元高熵合金纳米多孔结构,其中均匀分散的多重元素的协同作用使其获得非常高的氢转化频率和离子输运电导率。反应过程中界面形成的富金保护层使其表现出长时间稳定性,而且该材料还带有非常高的屈服强度、较大的弹性和良好的导电性,是一种理想的独立式催化电极,相关工作发表在J. Mater. Chem. A 8, 3246 (2020)

图三、Al基非晶合金条带电催化析氢反应的示意效果图和各种电极材料性能对比图。

       我们可以看到铝基非晶合金确实是一种非常有趣的材料,表现出多重功能特性。相信随着研究的深入,将会挖掘出Al基非晶合金更多有意义的功能特性,也期望非晶合金这种材料在解决能源挑战和环境问题上做出贡献。

 

(王军强研究员、鞠嵩硕士供稿)