社會的快速發展對能源產生了更迫切的需求，也導致了一系列危及自身生存和發展的環境問題，解決能源開發與環境之間的矛盾衝突是當今世界面臨的巨大挑戰。過去幾年，中國科學院寧波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能特性研究團隊圍繞鋁基非晶合金在環境和能源方面的功能特性開展了一系列研究，團隊主要通過兩個方面着手：一是開發能夠用來清潔水污染的鋁基非晶合金，二是探究鋁基非晶合金在儲能和析氫等能源方面的應用。
印染等有機污水是工業污水的重要源頭，近年來國內外同行發現鐵基、鎂基、鈷基等非晶合金在降解偶氮染料溶液方面具有優異的性能，其褪色速率可以達到相應晶態合金的幾十甚至上千倍。研究團隊前期通過球磨法引入殘餘應力提高鐵基和鎂基非晶合金粉表面能量狀態，顯著提高了其降解偶氮染料活性，降解偶氮染料速率分別達到商業鐵粉的200倍和1000倍（Adv. Funct. Mater. 22, 2567 (2012). Sci. Rep. 2, 418 (2012).《中國材料進展》（Materials China）33(5), 270 (2014)）。然而，一般情況下褪色速率隨着溶液pH值的升高會迅速降低。考慮到實際染料污水很多都是鹼性溶液，因此開發在鹼性溶液中可以快速褪色的非晶合金體系對促進其應用有重要意義。爲了解決這個問題，團隊發現鋁基非晶合金在較寬pH範圍內都可以快速降解偶氮染料，而且在鹼性（pH=12）和酸性（pH=2）溶液中比中性條件下降解速率快1.5和189倍。研究表面結構和元素成分表明，鋁元素首先發生去合金化反應，表面形成富鎳和富釔納米多孔層，從而增強染料吸附的作用，加快染料褪色降解過程，如圖1。這些結果表明鋁基非晶合金在降解鹼性、酸性和中性染料污水方面都有良好的應用前景，相關結果發表在J. Alloys Compounds 701，759（2017）。
納米多孔材料由於比表面積大，成分可調，在催化、儲能等諸多技術領域引起了人們的廣泛關注。研究團隊在之前工作的基礎上繼續深入研究了合金成分、晶化組織結構等因素對AlNiCo非晶合金去合金化形成納米多孔結構的影響，並研究了其贗電容特性。發現3 at.%銅的加入可使納米孔復合材料的比電容增加至1.22 F cm2，工作發表在J. Alloys Compounds 703，461（2017）。團隊進一步通過引入預晶化工藝，設計出具有三重尺寸的多級納米多孔復合結構，納米多孔支架也形成了金屬/氧化物核殼復合結構，從而大幅提高了離子和電子的輸運特性，最終比電容增加至3.35 F cm2，如圖2，文章發表在J. Alloys Compounds 772，164（2019）。由於Al基非晶合金彈性好、強度高，這種高儲能密度納米多孔材料有望作爲柔性自支撐超級電容器電極獲得應用。
非晶合金作爲非平衡材料，其特點就是可以在非常寬的成分範圍內添加不同的合金元素，實現材料的多功能化。研究團隊以Al基非晶合金爲基體，少量添加貴金屬元素控制材料成分，探索開發具有高性能活性的析氫催化劑，成功開發出Al80Ni6Co3Mn3Y5Au3非晶合金材料，發現其在酸性環境中析氫反應過電位約爲70 mV @ 10 mA cm-2，Tafel斜率約爲39 mV dec-1，可與商業貴金屬Pt/C電極（33 mV @ 10 mA cm-2, 38 mV dec-1）相媲美。通過對微結構和反應機制的研究，團隊發現這種高催化活性可以歸因於表面形成的多組元高熵合金納米多孔結構，其中均勻分散的多重元素的協同作用使其獲得了非常高的氫轉化頻率和離子輸運電導率，如圖3。非晶態中獨特的原子均勻擴散效應，使得界面形成富金保護層，從而表現出長時間穩定性。而且該材料還帶有非常高的屈服強度、較大的彈性和良好的導電性，是一種理想的獨立式催化電極，相關工作發表在J. Mater. Chem. A 8, 3246 (2020)。
該系列成果得到了國家重點研發計劃項目（2018YFA0703604）、國家自然科學基金青年基金和面上基金（NSFC 51922102、51827801、51771216）、浙江省傑出青年基金（LR18E010002）等項目的資助。
