【材料】南京理工大学冯涛&中科院物理研究所/松山湖材料实验室孙保安等AM：纳米非晶合金，能态提升助力电催化性能

导语

非晶合金（MG，又称金属玻璃）是一类新型的多组元合金材料，具有复杂无序的原子结构。和传统的晶体材料相比，非晶合金表现出许多优异的力学、物理和化学特性，成为材料科学和凝聚态物理领域研究的热点。由于非晶合金无序结构中具有丰富的低配位活性位点和高吉布斯自由能，成为电化学催化剂家族中极具潜力和竞争力的新候选材料。目前非晶合金在析氢、氧化以及偶氮染料降解反应中的催化性能均已有研究报道。然而，非晶态的无序结构在原子/纳米尺度上没有明显的结构特征。如何在原子/纳米尺度对非晶合金进行结构设计调控从而使其催化性能提升仍然是一个巨大的挑战。

（来源：Advanced Materials）

南京理工大学冯涛教授团队联合中科院物理所孙保安研究员团队设计出一种具有高能量状态的纳米结构非晶合金（Ni-P NG）催化剂。利用纳米结构非晶合金中界面引入的结构不均匀特征，大幅提升了非晶合金的能量状态，从而带来更高效的催化性能。

（来源：Advanced Materials）

相关研究成果以“Nanostructured Metallic Glass in Highly Upgraded Energy State Contributing to Efficient Catalytic Performance”为题发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202200850）。

前沿科研成果

研究成果亮点：（1）通过脉冲电沉积法制备的Ni-P NG具有高度的结构非均匀性特点，使得Ni-P NG具有极高的能量状态; （2）具有高的能量状态的纳米结构非晶合金显著提高了其催化性能；（3）此外，具有非均匀性结构的Ni-P NG是制备独特的蜂窝状纳米孔结构的理想前驱体，在尿素氧化反应（UOR）中表现出优异的催化性能，具体表现为在10 mA/cm²的电流密度下，改性的Ni-P NG的电势仅为1.36 V，Tafel斜率为13 mV/dec，这是Ni基合金中UOR性能最好的新型材料。  图文解析：

图1. 脉冲电沉积法制备的Ni-P纳米结构金属玻璃

（来源：Advanced Materials）

图2. Ni-P纳米结构金属玻璃NG与普通金属玻璃MG的结构表征

（来源：Advanced Materials）

本文首先通过脉冲电沉积法制备出纳米结构金属玻璃（Ni-P NG），与普通的金属玻璃相比，表现为由不同结构的非晶区域构成（团簇区域I+界面区域II），在结构上呈现高度不均匀性特征。

图3. Ni-P纳米结构金属玻璃NG与普通金属玻璃MG的能量表征

（来源：Advanced Materials）

从能量的角度对Ni-P NG和MG进行分析，得出以下结论：i）DSC结果显示Ni-P NG具有更低的晶化温度（T_x）和更高的焓变值（ΔH），应力弛豫的测试结果体现出Ni-P NG具有更多的流变单元。这些都揭示了Ni-P NG出一种更高的体能量状态；ii）AM-FM结果表明Ni-P NG的表明同时具有更小的模量值，直接反映出更高的表面能量状态。以上结果表明了纳米结构非晶合金具有极高的能量状态（包括体能量和表面能量）的特点。

图4. Ni-P纳米结构金属玻璃NG与普通金属玻璃MG的催化性能与结构表征

（来源：Advanced Materials）

纳米结构非晶合金的这种高能量状态直接带来的是催化性能的显著提升，包括阳极（尿素氧化反应，UOR）和阴极（析氢反应，HER）催化反应。很明显，Ni-P NG在UOR和HER上的催化效果都有显著提升，表现为过电势的降低和反应动力学的增加（R_ct更小），同时，伴随电子价态发生不同的变化。

图5. 改性后Ni-P纳米结构金属玻璃NG的催化性能与结构表征

（来源：Advanced Materials）

由于Ni-P NG具有高度的结构不均匀性，成为制造独特的蜂窝状纳米孔结构的理想前驱体。这种蜂窝状纳米多孔材料的设计在UOR中表现出更加优异的催化性能。例如，在10 mA/cm²的电流密度下，改性的Ni-P NG的电势仅为1.36 V, 而且反应的Tafel斜率为13 mV/dec，伴随着更快的反应动力学和更稳定的催化效果，这是Ni基合金中UOR性能最好的新型材料。 总结与展望：本研究采用纳米结构化概念为合成超高能量非晶合金材料提供了一种简便、通用的方法，为高效催化材料的进一步研究提供了新思路。由NG内部结构缺陷与纳米孔结构的形成相结合带来的高催化活性，为清洁能源领域提供了新的应用。

本文第一作者为裴超群、陈双琴，通讯作者为冯涛、孙保安、陈双琴，通讯单位为南京理工大学、中科院物理研究所、松山湖材料实验室。该项目得到国家自然科学基金项目（No. 52101195、No. 51571119、No. 52192602、No. 51520105001、No. 51871120）、中央高校基本科研业务费专项资金（No. 30919011404、No. 30920021156、No. 30916011106）、江苏省自然科学基金项目（No. BK20190480、No. BK20200019）、广东省基础与应用基础研究重大专项（2020B1515120092）、江苏省创新项目、青蓝项目以及江苏省特聘教授项目的大力支持。

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第一作者简介

裴超群，南京理工大学材料学院/格莱特研究院博士生，2018年就读于南京理工大学材料学院/格莱特研究院，联合培养于中科院物理所、松山湖材料实验室。研究生期间主要从事低维度非晶合金的动力学研究及功能性应用展开，已在Advanced Materials（第一作者）、Nano Letters（第一作者）、Communications Physics、Journal of Alloys and Compounds（第一作者）等国内外学术期刊发表论文各6篇，申请相关专利3项。

通讯作者简介

冯涛，南京理工大学材料学院/格莱特研究院教授，博士生导师。主要从事纳米结构金属材料的制备、结构表征及性能开发研究工作。2007年获上海市青年科技启明星称号；2008年获上海市创新人才称号；2010年获上海市科技进步奖三等奖；同年获“洪堡学者”称号，赴德国卡尔斯鲁厄纳米技术研究所与纳米材料创始人Herbert Gleiter教授合作开展纳米非晶合金材料的开创性研究工作。2013年加入南京理工大学格莱特纳米研究所，担任所长助理，全面负责纳米晶与非晶课题组创建工作。2016年获江苏省特聘教授和青蓝工程江苏省高校中青年学术带头人称号，2020年获国际先进材料学会会士荣誉称号。负责研发了具有自主知识产权的国际上最先进的激光气固超高真空互联系统；开发了多相脉冲电沉积法用于制备纳米非晶合金，成为继气体冷凝法和磁控溅射法后第三种纳米非晶合金制备技术；开发了纳米双相高熵合金复合材料，开拓了纳米高熵合金材料研究的新方向。近三年来作为项目负责人承担了国家自然科学基金面上项目和江苏省自然科学基金项目等多项，已在Adv. Mater.、Nano Lett.、Acta Mater.、J. Mater. Sci.&Tech.等国内外学术期刊发表论文120余篇；同时申请了发明专利20余项，获得专利授权5项。 孙保安，中国科学院物理研究所副研究员、博士生导师、国家优秀青年基金获得者，松山湖材料实验室绿色非晶材料团队负责人。主要从事非晶态合金的结构、力学变形机理及新型非晶态材料的开发和应用等方面，从原子、介观到宏观多尺度研究了非晶态合金的形变机制，建立了不同尺度结构特征与非晶宏观塑性的关联，再此基础上开发出了高强高韧非晶合金基新材料和具有优异软磁性能的非晶纳米晶材料，探索了其在机器人、消费电子、5G通讯等领域的应用。在包括Phys. Rev. Lett.、Sci. Adv.、Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.、Acta Mater.等期刊发表SCI论文80余篇，总引用次数3000余次，申请专利14项获授权3项。承担国家重点研发计划课题，国家自然科学基金重大项目课题、优秀青年基金等项目。2019年获国家自然科学二等奖（第三完成人）。曾获中国科学院院长优秀奖（2011）、中国材料大会非晶与高熵合金分会杰出青年科学家奖（2017）等荣誉。  陈双琴，南京理工大学材料学院/格莱特研究院讲师。博士毕业于清华大学材料学院。2018年入职南京理工大学材料学院/格莱特研究院，2019年获得江苏省双创博士。研究方向主要为非晶合金、高熵合金及纳米晶合金等亚稳态材料合成与催化降解性能调控，发现非晶合金纳米化处理反常提高催化性能的新现象，获得了高效率和高活性稳定性，提出了新的活性提升机制。主持国家自然科学基金青年基金和江苏省自然科学基金青年基金项目，已在Adv. Mater.、J. Mater. & Chem. A、J. Mater. Sci. & Tech.等国内外学术期刊上发表论文20余篇。

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