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　　【仪表网 研发快讯】多孔材料具有高比表面积、高导电性、开放和可调的孔道结构，在催化、传感、燃料电池、驱动等领域具有广泛的应用前景。脱合金提供了一种简单而高效的方式来构建纳米多孔结构，常见的脱合金技术包括：化学/电化学脱合金、液态金属脱合金和真空气相脱合金等。以电化学脱合金为例，通过选择合适的电解液，选择性地溶解活泼的元素，剩余相对稳定的元素在表面扩散作用下自组织形成双连续多孔结构。然而这一方法仅适用于制备贵金属或易钝化的多孔材料。液态金属脱合金利用合金组元与金属熔体之间混溶性的差异制备多孔材料。由于相对较高的脱合金温度，难熔金属甚至高熵合金都可以通过这一方式构筑出多孔结构。然而，上述方法不可避免地涉及到化学腐蚀，腐蚀过程和后续腐蚀液的处理会导致环境污染。近些年来，我们发展出新型真空气相脱合金(vapor phase dealloying, VPD)方法，通过选择性蒸发高饱和蒸气压的元素，利用组元间饱和蒸气压的差异制备多孔结构。由于脱合金过程中没有化学试剂的参与，VPD成为一种简单且环保的制备多孔材料的方式。
 

　　然而，目前多孔金属材料的开发主要集中在二元体系，由于通常多孔材料是基于成分分布均匀的前驱体制备的。二元合金体系的相关相图相对完善，而三元及以上的多组元体系成分复杂，相图极其有限，这对开发新型适用于制备多组元纳米多孔的前驱体提出了重大挑战。不仅如此，多组元协同效应可以大大提高多孔材料的电化学和力学性能，迫切需要发展适用于制备多组元纳米多孔材料前驱体的高通量方法。
 

　　近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家中心EX-4/HM-EX4组汪卫华院士团队的鲁振特聘研究员和曲阜师范大学张永政教授指导硕士生冯祥瑞和刘猛等，发展出超重力离心熔炼的方法，在接近平衡状态下制备出具有成分和结构梯度的三元MgZnY高通量合金样品库，进而发展出高通量气相脱合金技术，通过集成高通量方法，成功探索出多种能够构建具有不同形态的金属间化合物Zn2Y1纳米多孔前驱体合金。这种集成的高通量方法大大简化了多孔材料的探索和开发，为探索多组元多孔合金提供了新的有效途径。
 

　　研究团队通过超重力离心熔炼制备了三元MgZnY相数据库，其中具有不同密度和熔点的合金相随着温度的降低沿离心方向依次凝固，从而产生具有成分和结构梯度的样品(图1)。按照共晶相所占比例将高通量合金大体分为4个区域(图2)，并以Mg45Zn45Y10超重力离心熔炼合金为代表对各区域进行了详细的表征(图3，4)，表明形成的高通量样品库中元素和相的梯度变化。随后，利用各元素之间饱和蒸气压的差异，结合VPD技术，选择性地挥发具有高饱和蒸气压的元素，残余元素自组织演变成多孔结构。为了清楚地展示样品库与脱合金产物形态的关联，我们将不同代表性区域产生的多孔结构与Mg45Zn45Y10高通量样品库中共晶分布图相结合(图5)，通过集成的高通量技术迅速确定出能够形成不同形态纳米多孔Zn2Y1的前驱体合金成分。
 

　　进而研究团队精确制备通过集成高通量技术探索出的Mg34Zn57Y9和Mg16Zn66Y18体系进行VPD验证，并且进一步揭示了脱合金过程中动力学转变过程(图6，7)。这种结合材料探索和微观结构构建的高通量方法有望快速开发出具有多孔材料制造能力的前驱体合金。相关研究成果以“Binary ZnY porous materials through integrated high-throughput approach”为题发表在 Acta Materialia上。冯祥瑞和刘猛为论文的共同第一作者，物理所鲁振特聘研究员和曲阜师范大学张永政教授为论文的共同通信作者。
 

　　上述研究工作得到了中国科学院、国家重点研发计划(2021YFB3802900)、国家自然科学基金(52192604, 52371166 , 62104131)、山东省高等教育青年创新科技计划(2021KJ022)、泰山学者计划(tsqn201909107)、山东自然科学基金(ZR2020QF077)、材料基因组研究平台(CMGI)和综合极端条件实验装置(SECUF)的资助和支持。
 

　　图1. (a) 超重力离心熔炼装置示意图。(b) 离心旋转和加热程序示意图。(c)-(e) 分别为Mg45Zn45Y10、Mg63Zn27Y10和Mg70Zn25Y5在超重力离心熔炼后横截面照片。
 

　　图2. (a)，(b)，(c) 超重力离心熔炼Mg45Zn45Y10、Mg63Zn27Y10和Mg70Zn25Y5的共晶相面积比的分布。
 

图3. Mg45Zn45Y10超重力离心熔炼样品横截面的EDS图谱。
 

　　图4. (a),(b),(c),(d)分别为Mg45Zn45Y10超重力离心熔炼样品的区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ和区域Ⅳ的低倍SEM图像。(e),(f),(g),(h)分别为Mg45Zn45Y10超重力离心熔炼样品的区域Ⅰ、区域Ⅱ、区域Ⅲ和区域Ⅳ的高倍SEM图像。
 

　　图5. Mg45Zn45Y10共晶分布图中多孔结构的空间分布。(a)脱合金后超重力离心熔炼样品Ⅰ区的SEM图像。(b),(c)脱合金后超重力离心熔炼样品的区域Ⅱ处的SEM图像(该区域形成了两种不同的多孔结构)。(d)脱合金后超重力离心熔炼样品在缓冲区和Ⅰ、Ⅱ区界面区的SEM图像(由于复杂的细小晶粒及应力的影响没有形成多孔结构)。(e)脱合金后超重力离心熔炼样品Ⅲ区的截面SEM图像。(f)脱合金后超重力离心熔炼样品在Ⅳ区和Ⅲ、Ⅳ区界面区的SEM图像(由于Mg元素全部蒸发没有形成多孔结构)。
 

　　图6. (a) 元素分布均匀的Mg34Zn57Y9前驱体合金的 EDS 图谱。(b) Mg34Zn57Y9在2×10-4 Pa和693.15 K条件下脱合金6小时的截面SEM图像。(c) Mg34Zn57Y9在2×10-4 Pa和693.15 K条件下脱合金深度与时间的关系。(d) Mg34Zn57Y9在2×10-4 Pa和693.15 K条件下的孔径与脱合金时间的关系。
 

　　图7. (a) 元素分布均匀的Mg16Zn66Y18前驱体合金的 EDS 图谱。(b) Mg16Zn66Y18在2×10-4 Pa和693.15 K条件下脱合金12小时的截面SEM图像。(c) Mg16Zn66Y18在2×10-4 Pa和693.15 K条件下脱合金深度与时间的关系。(d) Mg16Zn66Y18在2×10-4 Pa和693.15 K条件下的孔径与脱合金时间的关系。