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宁波材料所关于铝基非晶合金在环境能源领域的应用研究取得系列进展-凤凰网电脑版
发布时间:2021-05-04 00:36
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本文摘要:社会的较慢发展对能源产生了更加急迫的市场需求,也造成了一系列严重威胁自身存活和发展的环境问题,解决问题能源开发与环境之间的对立冲突是当今世界面对的极大挑战。过去几年,中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队环绕铝基非晶合金在环境和能源方面的功能特性积极开展了一系列研究,团队主要通过两个方面著手:一是研发需要用来洗手水污染的铝基非晶合金,二是探究铝基非晶合金在储能和析氢等能源方面的应用于。

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社会的较慢发展对能源产生了更加急迫的市场需求,也造成了一系列严重威胁自身存活和发展的环境问题,解决问题能源开发与环境之间的对立冲突是当今世界面对的极大挑战。过去几年,中国科学院宁波材料技术与工程研究所非晶合金磁电功能特性研究团队环绕铝基非晶合金在环境和能源方面的功能特性积极开展了一系列研究,团队主要通过两个方面著手:一是研发需要用来洗手水污染的铝基非晶合金,二是探究铝基非晶合金在储能和析氢等能源方面的应用于。印染等有机污水是工业污水的最重要源头,近年来国内外同行找到铁基、镁基、钴基等非晶合金在水解偶氮染料溶液方面具备出色的性能,其变黄速率可以超过适当晶态合金的几十甚至上千倍。

研究团队前期通过球磨法引进瓦解形变提升铁基和镁基非晶合金粉表面能量状态,明显提升了其水解偶氮染料活性,水解偶氮染料速率分别超过商业铁粉的200倍和1000倍(Adv.Funct.Mater.22,2567(2012).Sci.Rep.2,418(2012).《中国材料进展》(MaterialsChina)33(5),270(2014))。然而,一般情况下变黄速率随着溶液pH值的增高不会很快减少。

考虑到实际染料污水很多都是碱性溶液,因此研发在碱性溶液中可以较慢变黄的非晶合金体系对增进其应用于有最重要意义。为了解决问题这个问题,团队找到铝基非晶合金在较宽pH范围内都可以较慢水解偶氮染料,而且在碱性(pH=12)和酸性(pH=2)溶液中比中性条件上升解法速率慢1.5和189倍。研究表面结构和元素成分指出,铝元素首先再次发生去合金化反应,表面构成丰镍和富钇纳米多孔层,从而强化染料导电的起到,减缓染料变黄水解过程,如图1。

这些结果表明铝基非晶合金在水解碱性、酸性和中性染料污水方面都有较好的应用于前景,涉及结果公开发表在J.AlloysCompounds701,759(2017)。纳米多孔材料由于比表面积大,成分固定式,在催化剂、储能等诸多技术领域引发了人们的普遍注目。研究团队在之前工作的基础上之后深入研究了合金成分、晶化的组织结构等因素对AlNiCo非晶合金去合金化构成纳米多孔结构的影响,并研究了其赝电容特性。找到3at.%铜的重新加入可使纳米孔复合材料的比电容减少至1.22Fcm2,工作公开发表在J.AlloysCompounds703,461(2017)。

团队更进一步通过引进预晶化工艺,设计出有具备三重尺寸的多级纳米多孔填充结构,纳米多孔支架也构成了金属/氧化物核壳填充结构,从而大幅提高了离子和电子的输送特性,最后比电容减少至3.35Fcm2,如图2,文章公开发表在J.AlloysCompounds772,164(2019)。由于Al基非晶合金弹性好、强度低,这种低储能密度纳米多孔材料未来将会作为柔性自承托超级电容器电极取得应用于。非晶合金作为非均衡材料,其特点就是可以在十分长的成分范围内加到有所不同的合金元素,构建材料的多功能化。研究团队以Al基非晶合金为基体,少量加到贵金属元素掌控材料成分,探寻研发具备高性能活性的析氢催化剂,顺利研发出有Al80Ni6Co3Mn3Y5Au3非晶合金材料,找到其在酸性环境中析氢反应过电位大约为70mV@10mAcm-2,Tafel斜率大约为39mVdec-1,可与商业贵金属Pt/C电极(33mV@10mAcm-2,38mVdec-1)相媲美。

通过对微结构和反应机制的研究,团队找到这种低催化活性可以归咎于表面构成的多组元低熵合金纳米多孔结构,其中均匀分布集中的多重元素的协同作用使其取得了十分低的氢转化成频率和离子输送电导率,如图3。非晶态中独有的原子均匀分布蔓延效应,使得界面构成富金保护层,从而展现出出有长时间稳定性。而且该材料还具有十分低的屈服强度、较小的弹性和较好的导电性,是一种理想的独立式催化剂电极,涉及工作公开发表在J.Mater.Chem.A8,3246(2020)。该系列成果获得了国家重点研发计划项目(2018YFA0703604)、国家自然科学基金青年基金和面上基金(NSFC51922102、51827801、51771216)、浙江省杰出青年基金(LR18E010002)等项目的资助。


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