刘攀课题组在气相脱合金机理及应用中取得重要进展

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近日，上海交通大学材料科学与工程学院尖端物质结构研究中心刘攀团队在气相脱合金领域取得多项研究进展。其中一项成果以 “Vapor Phase Dealloying Derived Nanoporous Co@CoO/RuO2 Composites for Efficient and Durable Oxygen Evolution Reaction”为题发表在国际高水平期刊《Advanced Functional Materials》。材料科学与工程学院博士生李艳影、张棋雯为论文共同第一作者，刘攀副教授为通讯作者。上海交通大学材料科学与工程学院为第一完成单位。
     开发低成本、高效的析氧反应(OER)催化剂，对提高水分解和金属-空气电池等绿色电化学能源转换效率至关重要。然而，涉及四电子转移的OER动力学缓慢，仍需大量稀有的铱/钌基贵金属氧化物来驱动其达到足够的电流密度。非贵金属基催化剂的OER活性和稳定性低于贵金属，需要开发有效的策略来提高其本征活性、活性位点密度和耐久性。纳米多孔金属作为一种结构功能一体化材料，具有三维双连通开放多孔结构和高比表面积，有利于内部多孔通道内的质量传输，已被应用于电催化领域，且作为复合材料基底可与其他活性物种结合，能够精确控制负载量和界面结构，进一步提高催化性能。气相脱合金法是制备纳米多孔金属的新兴环保的有效方法。基于此，刘攀课题组研究了气相脱合金技术的物理参数对纳米多孔钴基材料特征韧带尺寸的影响。衍生的纳米多孔复合催化剂在10 mA cm-2时具有198 mV的超低过电位，Tafel斜率为57.1 mV dec-1，在500 mA cm-2大电流密度下可持续工作50 h以上。卓越的OER活性和快速的反应动力学归因于通过界面上的Co-O-Ru键耦合进行的电荷转移及优异的纳米多孔双连通结构，而耐久性则源于高度稳定的CoO/RuO2界面。该工作对韧带大小和界面活性物种的精确调节为气相脱合金应用的功能化提供了强有力的支持。

图1 纳米多孔Co@CoO/RuO2材料的合成

      论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202214124
        另一项研究成果以“Crystal Plane-Orientation Dependent Phase Evolution from Precursor to Porous Intermediate Phase in the Vapor Phase Dealloying of a Co-Zn Alloy”为题发表在国际金属材料领域高水平期刊《Acta Materialia》。材料科学与工程学院博士生李艳影、韩小藏为论文共同第一作者，刘攀副教授为通讯作者。上海交通大学材料科学与工程学院为第一完成单位。
      气相脱合金是制造纳米多孔金属的新兴方法，利用不同金属元素之间的饱和蒸汽压差，选择性地去除前驱体合金中较高蒸气压的组分以制备具有三维双连通结构的纳米多孔金属。与其他脱合金方法相比具有低成本、可收集蒸发成分降低污染、有较广泛适用范围等优势。目前气相脱合金过程中相的形成和孔的演变机制仍是未知。了解气相脱合金过程中的相变和孔隙形成，对优化纳米多孔金属的微观结构与组成以实现多功能应用至关重要。基于此，该研究报告了以二元γ-CoZn为前驱体合金的气相脱合金形成及演化的多孔结构中间相β-CoZn。研究发现，在脱合金前沿形成的微米级多孔β-CoZn中间相促进了具有中间相的微孔结构的分级纳米多孔α-Co的生长。结合球差校正扫描透射电子显微镜和能量色散X射线光谱，发现中间相优先形成在前驱体的特定晶面，由锌原子升华产生的空位主要在靠近中间相的前驱体{110}晶面发生扩散。理论计算表明，锌空位在低指数{110}晶面上扩散的能量势垒低于其他晶面，阐明发生在脱合金前沿的反应机制。这项工作揭示了原子尺度的相变在多孔结构演变中起着关键作用，为气相脱合金的相变提供了深刻的见解，并为通过设计和调节纳米多孔金属的中间相来调整其孔隙结构和组成以实现更广泛的功能化应用提供了一种新的方法。
      论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.118617
      刘攀团队长期致力于结构功能一体化金属及其复合材料结构特性研究。研究成果得到国家自然科学基金面上项目、重点项目和创新研究群体项目等的资助。
      文章来源：上海交通大学
      刘攀 ，长期从事结构功能一体化金属材料的电子显微学研究，主要研究重点为功能导向纳米多孔金属及其复合材料的相变热/动力学、弹塑性行为的原子机制、表/界面原子尺度结构特性、应用探索。在国际学术期刊上累计发表论文114篇，论文共获他引6718次，个人H指数42，ESI高被引论文16篇。近5年在Nat. Commun., Adv. Mater., Nano Lett., Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Nano Energy, Acta Mater.,等发表第一/通讯作者论文20余篇。发表的论文多次被Science, Nat. Mater., PHYS.ORG., MaterialsView等亮点报道。主持国家级项目/课题4项，省部级项目4项。