非晶合金：助力“双碳”目标的新材料

张贺亭 阮文清 马将

近年来，沙尘暴、高温干旱、洪涝等自然灾害频发，这与人类活动引起的温室气体排放，尤其是二氧化碳排放密切相关。

为了“双碳”目标（碳达峰和碳中和）的实现，各领域采取了相应行动，主要包括能源结构的调整、制造业的转型和新能源的优化等。非晶合金作为一种新型合金，因高催化活性、耐腐蚀性以及环保、绿色可循环等特点脱颖而出。它常被用于制造医疗器械中的导丝、支架等，也被用于制造高性能的音响设备、运动器械和珠宝等。

什么是非晶合金？

非晶合金又称金属玻璃，是由金属原材料熔炼而成；“玻璃”不是指我们日常生活中常见的脆而硬的玻璃，而是指这种材料的结构是一种玻璃态结构。中国科学院物理研究所的汪卫华院士提出，非晶合金等玻璃态物质是与气、液、固并列的第四种常规物质状态——玻璃固态。

金属熔体快速冷却制备非晶合金示意图（绘图/ 张玲）

非晶合金的第一次“露面”缘自一次偶然的实验，即美国加州理工大学的卡尔·文茨在研究晶体结构和化合价完全不同的两个元素能否形成固溶体时，偶然发现了非晶合金这种新材料。目前，我们生产非晶合金通常采用的是铜模喷铸法，通过快的冷却速率，使原子来不及形成有序排列的晶体结构，最终绝大多数原子被“冷冻”下来。

非晶合金制成的高尔夫球杆

非晶合金具有独特的热塑性，表现为在一定温度下可像橡皮泥一样被任意变形拉扯，可根据需要得到想要的形状。

大显身手创佳绩

随着非晶合金的优异性能逐渐被探索，其应用逐渐发展到各个领域，如在电磁领域制作配电变压器，用于电源管理的电信设备和传感器等零部件；化学领域应用于有机污染物的高级氧化物降解等。

在“双碳”目标的推动下，氢气作为清洁能源受到越来越多的关注，最常见的制氢技术为电解法，但其能源消耗较高。发展高效的催化剂以降低能耗是极有必要的，非晶合金这种新型合金凭借其高导电性、较高的反应活性及催化寿命，打开了催化领域一扇新的大门。

其中，利用非晶合金的热塑性与可溶性模板结合对其形貌进行“人工调控”，是提高其反应活性的重要组成部分。

以非晶合金粉末与可溶性的盐颗粒氯化钠（NaCl）为例，将二者相差不大的粉末颗粒均匀混合置于模具腔体中，加热至非晶合金软化，接着加压使软化的非晶合金填充颗粒空隙。冷却后，将块体置于溶液中去除氯化钠颗粒，得到具有多孔结构的非晶合金。

将具有多孔结构的非晶合金用于电解水制氢，结果表明，在远低于工业电解水制氢的电压下，具有多孔结构的非晶合金能够产生大量的氢气。

将一节干电池作为电源即可在非晶合金的催化下电解水，能观察到非晶合金表面持续涌现出大大小小的气泡（氢气）。另外，保障催化剂的长时间稳定性也是重要的“评价指标”之一，对具有多孔结构的非晶合金进行长达20天的测试发现，其催化效果一直保持稳定。

除此之外，非晶合金在氧化还原反应、析氧反应中也表现出极高的催化活性。

相信非晶合金优异的催化性能以及出色的循环使用性，将会在更多领域发挥重要作用，助力中国实现“双碳”目标。

 多孔非晶合金制備示意图（绘图/张玲）

（责任编辑 / 李银慧 美术编辑 / 周游）