中国科研团队在高熵合金材料领域取得了重大突破,成功开发了基于激光辐射技术的“快热快冷”法和基于液体-液体界面反应的“等温凝固”法两种创新的合成方法。这些方法成功解决了金属元素难以均匀混合、颗粒尺寸控制困难等传统高熵合金合成长期存在的技术瓶颈,为新材料在能源、催化等领域的应用开辟了新的途径。
安徽师范大学熊宇杰教授团队与中国科技大学研究人员合作,创新性地利用激光辐射技术,在温和的条件下成功生产出亚纳米级高熵合金。这种方法巧妙地利用了纳秒脉冲激光激发的等离激元光热效应和热电子效应,实现了各种金属元素的均匀混合。研究小组在含有多种金属盐的溶液中分散金纳米颗粒,通过激光辐射,在很短的时间内将颗粒表面温度迅速提高到2000摄氏度以上,然后以每秒10亿以上的速度快速冷却。这种“快热快冷”的过程具有抑制作用。
与此同时,劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究团队也在高熵合金合成领域取得了重要进展。在25-80摄氏度的低温条件下,他们提出了一种全新的“等温凝固”策略,通过液体-液体界面反应实现高熵合金的合成。该方法采用钒基液体金属作为牺牲试剂和混合介质,在液体-液体界面发生还原反应,产生的氢气泡起到“隐形搅拌器”的作用,大大加速了金属元素的混合。通过调节反应温度和金属盐浓度,这种方法可以准确地控制高熵的结晶度和形貌
这些创新方法制备的高熵合金在能源领域具有很大的应用潜力。例如,由金、白金、白金、钒和白金五种金属组成的亚纳米高熵合金在电解水产生的氢反应中具有优异的催化活性和稳定性。在质子交换膜电解槽试验中,该材料在2.12伏电压下,以2安培/平方厘米的电流密度连续工作1200小时,其性能明显优于目前商用的铂碳催化剂和二氧化硅催化剂。这种突破性能源于高熵合金独特的“鸡尾酒效应”,即各种金属元素的协同作用和自动作用。
高熵合金是由五种或五种以上的金属元素按一定比例组成的特殊合金,其独特的组成使其具有优异的催化活性、耐腐蚀性、热稳定性和化学稳定性。传统的高熵合金合成方法通常需要高温环境,对金属类型有限,合成合金尺寸较大。新开发的两种方法从不同角度解决了这些问题:激光辐射法通过极端温度控制实现亚纳米尺度合金制备;等温凝固法则通过低温界面反应实现高熵状态的动力学捕获。这些突破性方法不仅大大扩展了高熵合金的材料存储范围。
随着全球对清洁能源和高效催化材料的需求不断增加,亚纳米高熵合金的成功创造为相关技术的发展提供了新的材料基础。未来,随着合成方法的进一步优化和规模化生产技术的突破,高熵合金有望在更多关键领域发挥重要作用,为实现可持续发展目标提供材料支持。