【儀表網 研發快訊】多孔材料具有高比表面積、高導電性、開放和可調的孔道結構，在催化、傳感、燃料電池、驅動等領域具有廣泛的應用前景。脫合金提供了一種簡單而高效的方式來構建納米多孔結構，常見的脫合金技術包括：化學/電化學脫合金、液態金屬脫合金和真空氣相脫合金等。以電化學脫合金為例，通過選擇合適的電解液，選擇性地溶解活潑的元素，剩余相對穩定的元素在表面擴散作用下自組織形成雙連續多孔結構。然而這一方法僅適用于制備貴金屬或易鈍化的多孔材料。液態金屬脫合金利用合金組元與金屬熔體之間混溶性的差異制備多孔材料。由于相對較高的脫合金溫度，難熔金屬甚至高熵合金都可以通過這一方式構筑出多孔結構。然而，上述方法不可避免地涉及到化學腐蝕，腐蝕過程和后續腐蝕液的處理會導致環境污染。近些年來，我們發展出新型真空氣相脫合金(vapor phase dealloying, VPD)方法，通過選擇性蒸發高飽和蒸氣壓的元素，利用組元間飽和蒸氣壓的差異制備多孔結構。由于脫合金過程中沒有化學試劑的參與，VPD成為一種簡單且環保的制備多孔材料的方式。
 

　　然而，目前多孔金屬材料的開發主要集中在二元體系，由于通常多孔材料是基于成分分布均勻的前驅體制備的。二元合金體系的相關相圖相對完善，而三元及以上的多組元體系成分復雜，相圖極其有限，這對開發新型適用于制備多組元納米多孔的前驅體提出了重大挑戰。不僅如此，多組元協同效應可以大大提高多孔材料的電化學和力學性能，迫切需要發展適用于制備多組元納米多孔材料前驅體的高通量方法。
 

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家中心EX-4/HM-EX4組汪衛華院士團隊的魯振特聘研究員和曲阜師范大學張永政教授指導碩士生馮祥瑞和劉猛等，發展出超重力離心熔煉的方法，在接近平衡狀態下制備出具有成分和結構梯度的三元MgZnY高通量合金樣品庫，進而發展出高通量氣相脫合金技術，通過集成高通量方法，成功探索出多種能夠構建具有不同形態的金屬間化合物Zn2Y1納米多孔前驅體合金。這種集成的高通量方法大大簡化了多孔材料的探索和開發，為探索多組元多孔合金提供了新的有效途徑。
 

　　研究團隊通過超重力離心熔煉制備了三元MgZnY相數據庫，其中具有不同密度和熔點的合金相隨著溫度的降低沿離心方向依次凝固，從而產生具有成分和結構梯度的樣品(圖1)。按照共晶相所占比例將高通量合金大體分為4個區域(圖2)，并以Mg45Zn45Y10超重力離心熔煉合金為代表對各區域進行了詳細的表征(圖3，4)，表明形成的高通量樣品庫中元素和相的梯度變化。隨后，利用各元素之間飽和蒸氣壓的差異，結合VPD技術，選擇性地揮發具有高飽和蒸氣壓的元素，殘余元素自組織演變成多孔結構。為了清楚地展示樣品庫與脫合金產物形態的關聯，我們將不同代表性區域產生的多孔結構與Mg45Zn45Y10高通量樣品庫中共晶分布圖相結合(圖5)，通過集成的高通量技術迅速確定出能夠形成不同形態納米多孔Zn2Y1的前驅體合金成分。
 

　　進而研究團隊精確制備通過集成高通量技術探索出的Mg34Zn57Y9和Mg16Zn66Y18體系進行VPD驗證，并且進一步揭示了脫合金過程中動力學轉變過程(圖6，7)。這種結合材料探索和微觀結構構建的高通量方法有望快速開發出具有多孔材料制造能力的前驅體合金。相關研究成果以“Binary ZnY porous materials through integrated high-throughput approach”為題發表在 Acta Materialia上。馮祥瑞和劉猛為論文的共同第一作者，物理所魯振特聘研究員和曲阜師范大學張永政教授為論文的共同通信作者。
 

　　上述研究工作得到了中國科學院、國家重點研發計劃(2021YFB3802900)、國家自然科學基金(52192604, 52371166 , 62104131)、山東省高等教育青年創新科技計劃(2021KJ022)、泰山學者計劃(tsqn201909107)、山東自然科學基金(ZR2020QF077)、材料基因組研究平臺(CMGI)和綜合極端條件實驗裝置(SECUF)的資助和支持。
 

　　圖1. (a) 超重力離心熔煉裝置示意圖。(b) 離心旋轉和加熱程序示意圖。(c)-(e) 分別為Mg45Zn45Y10、Mg63Zn27Y10和Mg70Zn25Y5在超重力離心熔煉后橫截面照片。
 

　　圖2. (a)，(b)，(c) 超重力離心熔煉Mg45Zn45Y10、Mg63Zn27Y10和Mg70Zn25Y5的共晶相面積比的分布。
 

圖3. Mg45Zn45Y10超重力離心熔煉樣品橫截面的EDS圖譜。
 

　　圖4. (a),(b),(c),(d)分別為Mg45Zn45Y10超重力離心熔煉樣品的區域Ⅰ、區域Ⅱ、區域Ⅲ和區域Ⅳ的低倍SEM圖像。(e),(f),(g),(h)分別為Mg45Zn45Y10超重力離心熔煉樣品的區域Ⅰ、區域Ⅱ、區域Ⅲ和區域Ⅳ的高倍SEM圖像。
 

　　圖5. Mg45Zn45Y10共晶分布圖中多孔結構的空間分布。(a)脫合金后超重力離心熔煉樣品Ⅰ區的SEM圖像。(b),(c)脫合金后超重力離心熔煉樣品的區域Ⅱ處的SEM圖像(該區域形成了兩種不同的多孔結構)。(d)脫合金后超重力離心熔煉樣品在緩沖區和Ⅰ、Ⅱ區界面區的SEM圖像(由于復雜的細小晶粒及應力的影響沒有形成多孔結構)。(e)脫合金后超重力離心熔煉樣品Ⅲ區的截面SEM圖像。(f)脫合金后超重力離心熔煉樣品在Ⅳ區和Ⅲ、Ⅳ區界面區的SEM圖像(由于Mg元素全部蒸發沒有形成多孔結構)。
 

　　圖6. (a) 元素分布均勻的Mg34Zn57Y9前驅體合金的 EDS 圖譜。(b) Mg34Zn57Y9在2×10-4 Pa和693.15 K條件下脫合金6小時的截面SEM圖像。(c) Mg34Zn57Y9在2×10-4 Pa和693.15 K條件下脫合金深度與時間的關系。(d) Mg34Zn57Y9在2×10-4 Pa和693.15 K條件下的孔徑與脫合金時間的關系。
 

　　圖7. (a) 元素分布均勻的Mg16Zn66Y18前驅體合金的 EDS 圖譜。(b) Mg16Zn66Y18在2×10-4 Pa和693.15 K條件下脫合金12小時的截面SEM圖像。(c) Mg16Zn66Y18在2×10-4 Pa和693.15 K條件下脫合金深度與時間的關系。(d) Mg16Zn66Y18在2×10-4 Pa和693.15 K條件下的孔徑與脫合金時間的關系。