中科院金海軍Sci. Adv.：具有表面氧化膜的輕質、高強、穩定的納米多孔鋁

【引言】

脫合金制備的納米多孔金屬在催化、超級電容器、能量存儲、驅動和其他方面受到廣泛關注。脫合金時，一部分組元被選擇性溶解，剩余組元自組裝形成均勻的納米多孔結構。長期以來，人們一直期望對納米多孔鋁(Al)進行研究，這不僅是為了鋁的低成本、輕質和潛在的應用，還因為鋁表面會自發形成鈍化的氧化鋁（Al₂O₃）層。最近的研究表明，極薄的表面氧化鋁層（約5 nm厚）可顯著提高亞微米尺度鋁柱的強度。如將多孔鋁的結構尺寸減小到亞微米或納米尺度，并結合氧化鋁鈍化層的作用，有可能獲得兼顧優異熱穩定性和高強度的高性能多孔材料。然而，這一結果尚未通過實驗實現。鋁的活性很高，以至于納米多孔鋁的合成通常涉及非水溶液，導致脫合金速率很慢，且合成納米多孔鋁的前體合金受到限制。目前，納米多孔Al只能從Mg-Al合金中脫合金，因為Mg比Al活性更強，可以與Al形成前驅體合金。直接脫合金制備的Mg-Al合金可以生成結構尺寸極小的納米多孔鋁（韌帶尺寸為10-20 nm），然而，由于鋁韌帶的快速氧化，它在空氣中會發生自燃。最近，脫合金腐蝕/置換反應(GRR)方法成功地制備不自燃、無裂紋的納米多孔鋁，這為探索納米多孔鋁的機械性能提供了機會。

【成果簡介】

近日，中國科學院金屬研究所的金海軍研究員（通訊作者）等人發現韌帶（微柱）尺寸減小到亞微米或納米尺度時，其表面自發形成的氧化鋁納米殼層可穩定存在，并提高材料強度。在脫合金腐蝕/置換反應中自組裝形成的納米多孔Al-Al₂O₃核-殼復合材料，在自然環境條件下不易燃，且其結構在接近材料熔點溫度是依舊能夠穩定存在。相同密度下，這種材料比由純鋁或鋁基復合材料組成的傳統泡沫強度更高，比已報道的納米多孔金屬更輕、更穩定、比強度更高。相關成果以“Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell”發表在Science Advances上。

【圖文導讀】

圖 1 具有氧化物殼層的納米多孔鋁的微觀結構和穩定性

（A-C）納米多孔鋁、退火前和退火后的準原位SEM圖像；

（D-F）制備態納米多孔鋁和不同溫度退火的納米多孔鋁的TEM圖像；

（G，H）制備態及退火態納米多孔鋁樣品的韌帶尺寸和晶粒尺寸分布；

（I）制備態及退火態納米多孔鋁樣品實物圖。

圖 2 納米多孔Al-Al₂O₃復合材料的力學性能

（A，B）制備態及退火態納米多孔Al-Al₂O₃復合材料的壓縮和拉伸應力-應變曲線；

（C）納米多孔Al-Al₂O₃復合材料的屈服強度隨退火溫度的變化圖；

（D）納米多孔Al-Al₂O₃復合材料的楊氏模量隨退火溫度的變化圖。

圖 3 納米多孔Al-Al₂O₃復合材料的強度與密度的關系圖

圖 4 納米多孔鋁韌帶表面的氧化層表征

（A-C）納米多孔鋁韌帶的HAADF- STEM圖像和EDS元素分布圖；

（D）納米多孔鋁韌帶的HRTEM圖像；

（E，F）氧化鋁層在600°C下退火 0.5 h之前和之后的準原位TEM 圖像。

圖 5 變形態納米多孔Al-Al₂O₃復合材料的結構表征

（A）變形納米多孔Al-Al₂O₃復合材料的明場TEM圖像；

（B，C）變形韌帶的表面和晶界處的HAADF-STEM圖像。

圖 6 Mg(Zn)合金采用GRR形成的納米多孔Al(Zn)-Al₂O₃復合材料的結構表征

（A）純Mg采用GRR形成的納米多孔Al的SEM圖像；

（B，C）Mg₉₅Zn₅采用GRR形成的納米多孔Al(Zn)的SEM圖像；

（D）為B中納米多孔Al(Zn)退火后的SEM圖像。

【小結】

相比于具有相似密度的常規多孔金屬和多孔Al-氧化物復合材料，脫合金腐蝕/置換反應（GRR）制備的納米多孔Al-Al₂O₃復合材料強度更高。納米多孔Al-Al₂O₃復合材料也比脫合金制備的大多數納米多孔金屬更輕、更強和更穩定。Al納米韌帶表面的天然氧化層是納米多孔Al-Al₂O₃復合材料具有優異熱穩定性的主要原因。氧化層、韌帶尺寸和拓撲結構的綜合影響是這種材料具有高強度（和高比強度）的原因。預計輕質、高強且穩定的納米多孔Al-Al₂O₃復合材料將用于功能應用，例如高溫等離子體激元、微型熱交換器以及電池和其他電化學裝置的電極。

文獻鏈接Light, strong, and stable nanoporous aluminum with native oxide shell（Science Advances DOI: 10.1126/sciadv.abb9471）。

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaokefu，我們會邀請各位老師加入專家群。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。本文由材料人Materials_1219供稿，材料牛整理編輯。