清華新聞網(wǎng)9月2日電 異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料因其在界面科學(xué)、電子學(xué)及能源領(lǐng)域中的關(guān)鍵作用而備受關(guān)注。異質(zhì)界面的鍵合類(lèi)型直接決定了材料的整體性能：范德華相互作用可形成原子級(jí)平整界面，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體器件，但其界面結(jié)合強(qiáng)度較低（僅為0.1–1 J m?2）；而化學(xué)鍵合的強(qiáng)度通常比范德華作用高出2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠顯著調(diào)控材料的力學(xué)性能與電子結(jié)構(gòu)，尤其適用于極端環(huán)境下的功能結(jié)構(gòu)材料。
在大電流密度電解水制氫的應(yīng)用背景下，現(xiàn)有異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料面臨雙重挑戰(zhàn)。一方面，范德華結(jié)合的界面難以承受氣泡產(chǎn)生的高粘附能（1–100 J m?2），導(dǎo)致催化劑易脫落，造成電極機(jī)械失效；另一方面，金屬-化合物異質(zhì)界面處存在的缺陷和電荷轉(zhuǎn)移勢(shì)壘會(huì)阻礙電荷傳導(dǎo)，從而增加能耗。盡管目前已通過(guò)濕化學(xué)合成或氣相沉積等方法嘗試改進(jìn)，這些技術(shù)仍難以在金屬與金屬化合物異質(zhì)界面中同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)界面結(jié)合與類(lèi)金屬導(dǎo)電性。因此，如何構(gòu)建兼具化學(xué)鍵合與高導(dǎo)電性的金屬性界面，已成為金屬-金屬化合物異質(zhì)材料設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵難題。
近日，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄團(tuán)隊(duì)通過(guò)金屬源擴(kuò)散引發(fā)的界面鍵合策略，成功開(kāi)發(fā)了一類(lèi)具有化學(xué)鍵合金屬性界面的同源金屬材料。該類(lèi)材料在界面處具有強(qiáng)界面結(jié)合力以保持高機(jī)械穩(wěn)定性，并具有金屬性界面以消除電荷轉(zhuǎn)移勢(shì)壘。異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料界面處的離域電子態(tài)和均勻分布的電場(chǎng)證實(shí)了金屬性界面化學(xué)鍵的形成。團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了同源金屬材料的通用合成，共計(jì)4類(lèi)20余種材料，形成了一個(gè)材料家族體系，并結(jié)合原位光學(xué)偏振成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了可放大生產(chǎn)和高通量篩選。以大電流電解水制氫應(yīng)用為例，同源金屬材料所組裝的陰離子交換膜水電解槽在大電流密度超千小時(shí)運(yùn)行下的衰減率僅1.06 μV h-1，是迄今為止報(bào)道的高電流密度下的最低水平。
在該工作中，團(tuán)隊(duì)展示了同源金屬材料的普適合成策略及四類(lèi)材料的原子級(jí)分辨的晶體構(gòu)型，證實(shí)該合成方法的高效與普適性（圖1），利用積分相位襯度成像掃描電子顯微技術(shù)以及微納米劃痕技術(shù)，證實(shí)了化學(xué)鍵合的金屬性界面的存在，并揭示了化學(xué)鍵合的同源金屬材料相比于界面弱相互作用的傳統(tǒng)粘附型材料在界面電導(dǎo)和力學(xué)上的優(yōu)異性（圖2）。進(jìn)一步地，研究通過(guò)原位光學(xué)偏振成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了該類(lèi)材料的高通量篩選和放大化制備（圖3），所篩選得到的最優(yōu)異析氫和析氧電極性能顯著優(yōu)于商業(yè)鉑基催化劑，其組裝的陰離子交換膜水電解槽實(shí)現(xiàn)了超千小時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，衰減率指標(biāo)優(yōu)于美國(guó)能源部2040年標(biāo)準(zhǔn)（圖4）。這項(xiàng)工作為構(gòu)建異質(zhì)界面和厘清界面電導(dǎo)機(jī)制開(kāi)拓了新策略，也為解決電子和能源器件中的界面電接觸問(wèn)題提供了新思路。
圖1.同源金屬材料家族的合成和表征
圖2.化學(xué)鍵合的金屬性界面
圖3.同源金屬材料的放大化制備和高通量篩選
圖4.大電流密度電催化應(yīng)用
研究成果以“一類(lèi)化學(xué)鍵合金屬性界面的同源金屬材料家族”（A family of homologous metal heteromaterials with chemically bonded metallic interface）為題，于近日發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）。
清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院博士畢業(yè)生劉鶴鳴和副研究員余強(qiáng)敏為論文共同第一作者，清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院教授劉碧錄為論文通訊作者。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、廣東省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)、深圳市科技計(jì)劃、深圳市基礎(chǔ)研究項(xiàng)目以及深圳鵬瑞青年基金等的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf311
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：郭玲
