激光合成技术突破：亚纳米高熵合金推动电解水制氢发展
近日，中国科研团队在新型合金材料领域取得重大突破。安徽师范大学校长熊宇杰教授带领的研究团队与合作伙伴开发出一种创新的激光辐照合成方法，成功制备出包含多达十种金属元素的亚纳米级高熵合金。这项研究成果已在国际权威期刊《自然·材料》上发表，标志着我国在先进合金材料制备技术方面迈出了重要一步。
高熵合金作为一种特殊的多主元合金，由五种或更多金属元素以近似等原子比组成，其高熵效应能够促进单一固溶体相的形成，表现出优异的力学性能、耐腐蚀性和催化性能。然而，传统高熵合金合成方法面临严峻挑战。不同金属元素间的物理化学性质差异导致它们难以在原子水平上均匀混合，常常出现相分离现象。为此，传统合成工艺通常需要高温高压的极端条件，且对元素组合有严格限制，合成的合金尺寸往往在微米级以上。
研究团队创新性地采用纳秒脉冲激光辐照技术，成功克服了这些技术瓶颈。在实验过程中，激光束聚焦于金属前驱体材料，在极短时间内将表面温度提升至2000摄氏度以上，随后以每秒超过十亿度的惊人速率快速冷却。这种独特的“快热快冷”过程创造了非平衡态反应条件，使得不同金属原子在熔融状态下充分混合，并在凝固过程中形成均匀的固溶体。激光能量的精确控制使得合金颗粒尺寸能够降低到亚纳米级别，相当于数个原子直径的尺度，极大增加了材料的比表面积和活性位点数量。
熊宇杰教授形象地解释：“不同金属元素的混合就像协调一个多元化的团队，每个成员都有独特的性格和专长。激光辐照技术如同一位卓越的团队管理者，能够促使这些各具特色的个体和谐共处，发挥协同效应。”这种创新方法不仅突破了传统合成技术的局限，还显著拓展了高熵合金的组分选择范围，为设计新型多功能材料提供了更多可能性。
在能源转换领域，研究团队特别关注高熵合金在电解水制氢方面的应用潜力。他们制备的由金、铂、钌、铑和铱五种贵金属元素组成的亚纳米高熵合金，作为电解水催化剂表现出卓越的性能。实验数据显示，这种新型催化剂在氢析出反应和氧析出反应中均展现出高活性和稳定性，其性能显著优于传统单金属或双金属催化剂。
高熵合金的独特结构为其卓越的催化性能提供了理论基础。多种金属元素的协同作用可以调节表面电子结构，优化反应中间体的吸附能，从而降低反应能垒。亚纳米尺寸效应则极大增加了活性位点密度，提高了原子利用效率。此外，高熵合金固有的高强度和高稳定性确保了催化剂在苛刻的电化学反应条件下能够长期保持结构完整性和催化活性。
这项技术的突破对清洁能源发展具有重要意义。随着全球能源转型加速，氢能作为零碳能源载体受到广泛关注。电解水制氢是一种清洁的氢气制备方法，但当前制约其大规模应用的关键因素之一是缺乏高效、稳定且成本合理的电催化剂。高熵合金材料通过多元组分的灵活设计，能够实现催化性能的精确调控，同时减少对稀缺贵金属资源的依赖，为降低电解水制氢成本提供了可行方案。
激光合成高熵合金技术的普适性也为材料科学领域开辟了新途径。研究人员证实，该方法适用于多种金属组合，包括过渡金属、贵金属和稀土金属等，为设计特定应用需求的功能材料提供了强大工具。除了能源催化领域，这种亚纳米高熵合金在电子器件、传感技术、高温防护和生物医学等方面均有广阔的应用前景。
未来，研究团队计划进一步探索高熵合金的组成-结构-性能关系，通过机器学习等先进手段加速新材料设计，优化合成工艺以推动产业化应用。随着制备技术的不断完善和成本控制的突破，亚纳米高熵合金有望在能源、环境和高端制造等领域发挥越来越重要的作用，为我国新材料产业和清洁能源技术的发展提供有力支撑。
