科研进展 丨 梯度结构非晶合金中的应变工程实现优异电解水性能
水电解制氢技术是全球发展可持续能源体系的关键发展方向。尽管该技术展现出巨大应用潜力，但当前全球产氢总量中仅有不足4%来自该工艺，其发展受制于两大核心瓶颈：贵金属催化剂的高昂成本以及水电解过程所需的巨大电力消耗。这些现实困境使得开发高效、低成本催化剂成为突破产业化瓶颈的关键。
非晶合金（又称金属玻璃，MGs）凭借其独特无序原子结构，展现出解决电解制氢成本与能耗问题的巨大潜力。该材料集三重核心优势于一体：① 高密度低配位活性位点；② 优化的吉布斯自由能；③ 多元组分协同效应带来的电子结构调控能力。但无序原子排列特性导致传统晶态材料的晶界工程、缺陷调控等结构化改性手段完全失效，迫使研究人员长期依赖试错式的组分筛选，严重制约了催化性能的系统化提升。
深入研究提升非晶合金催化活性的新方法具有双重价值，既关乎实际应用突破，又是破解其“结构-性能”关联机制的核心突破口。这种深度认知为开发高活性催化剂指明了优化方向，而近年来兴起的应变工程技术（通过调控材料原子间距改变电子结构）已在晶体材料中展现出显著增效作用。本质上应变工程调控并不受传统晶体学框架的局限，但如何将这一技术移植到原子排列无序的非晶合金体系，仍是亟待突破的科研难题。
最近，松山湖材料实验室绿色非晶合金团队孙保安研究员联合南京理工大学冯涛教授、湛诚教授、陈双琴副教授在非晶合金的应变工程应用方面取得了重大突破。研究人员通过设计出具有梯度结构的非晶合金丝材（GS-MGs），成功实现了利用对非晶合金的应变调控提升其电催化性能。研究人员利用HAADF-STEM、纳米压痕以及热力学测试等多角度结构表征技术，证明了通过改进的Taylor–Ulitovsky技术制备出的Ni40Fe40P20 (NFP)非晶合金丝材具有显著的梯度结构，具体体现在从内部到表面的原子密度逐渐降低，表面具有更低的原子堆积密度以及更高的能量状态。同时，在Ni基、Fe基、Co基以及Pd非晶合金丝中均发现了这种梯度结构普适性存在的结果，进一步证明了梯度结构设计的广泛适用性。
研究发现，这种GS-MG在阴极的析氢反应（HER）和阳极的氧化反应（OER）中表现出了远超传统MG的电催化性能。结合密度泛函理论（DFT）的模拟计算结果表明，NFP非晶合金中密度的降低会导致d-band中心上移，从而增强了其与吸附物之间的相互作用，这一特性非常有利于HER和OER的反应过程，进一步证实了GS-MG梯度材料对于提升电催化的重要贡献。接着，研究人员利用Nano-CT技术发现，这种梯度非晶结构有利于其在化学脱合金过程中形成特殊的三维纳米孔结构（3D-NP），其在整体水分解反应中表现出了突破性的性能。在10 mA/cm2电流密度下，NFP非晶合金展现出低至1.378V的电势，而在1000 mA/cm2电流密度下，其电势为1.682V，并且维持了长时间下的优异稳定性。这一表现证明了应变工程策略在提升非晶合金催化性能方面的巨大潜力。
这一突破性的研究成果展示了非晶合金材料在催化领域的应用前景，并为未来水电解技术的普及和商业化铺平了道路。梯度结构作为一种创新策略，将极大地推动非晶合金催化剂的性能提升，进而助力可再生能源技术的进一步发展。
相关研究成果以“Strain Engineering in Gradient-Structured Metallic Glasses for Excellent Overall Water Splitting”为题于2025年3月16日在线发表在Materials Today期刊上。松山湖材料实验室绿色非晶合金团队博士后裴超群为文章的第一作者，陈双琴、解玖远、冯士东为共同第一作者，孙保安研究员、冯涛教授、陈双琴副教授、湛诚教授为本项工作的共同通讯作者。
上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中国博士后面上基金项目、广东省基础与应用基础研究基金等项目的共同资助和支持。
图1 NFP GS-MG 的微观梯度结构表征
图2 NFP GS-MG的杨氏模量和热力学表征
图3 NFP 3D-NP GS-MG的3D结构表征以及电催化性能
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https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.02.024