非晶重要突破！合工大、清華、港城大團隊最新Nature子刊

氧氣是生命的維系者，卻也會引發(fā)食品藥品腐敗、材料氧化及催化劑中毒等問題。因此，高效除氧是食品藥品保存、材料保護以及穩(wěn)定化學(xué)反應(yīng)過程的關(guān)鍵需求。然而，傳統(tǒng)鐵基除氧劑長期存在反應(yīng)速率慢、容量遠低于理論值等問題，不僅造成資源浪費，也難以滿足更廣泛的工業(yè)應(yīng)用需求。

近日，合肥工業(yè)大學(xué)研究團隊聯(lián)合清華大學(xué)、香港城市大學(xué)等單位，在高效除氧材料領(lǐng)域取得重要突破：首次將鐵基非晶合金應(yīng)用于除氧體系，為新一代除氧技術(shù)提供了新思路。相關(guān)成果以“Fe-based metallic glasses as efficient oxygen scavengers”為題發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊Nature Communications。合肥工業(yè)大學(xué)斯佳佳副教授、香港城市大學(xué)欒亨偉博士后為共同第一作者；斯佳佳副教授、徐光青教授，香港城市大學(xué)呂堅教授及清華大學(xué)姚可夫教授為通訊作者。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-71713-4

團隊以鐵硅硼（FeSiB）非晶合金為基礎(chǔ)開發(fā)的新型除氧材料，展現(xiàn)出顯著優(yōu)于傳統(tǒng)體系的性能。與廣泛應(yīng)用的晶態(tài)鐵系除氧材料相比，其除氧速率高出1–2個數(shù)量級。該材料可在5.6小時內(nèi)實現(xiàn)密封體系中氧氣的完全去除（定義為氧氣濃度<0.05%），而純鐵粉和還原鐵粉在24小時內(nèi)仍無法實現(xiàn)完全除氧。該材料同時突破了低溫應(yīng)用限制。在5 ℃條件下，傳統(tǒng)材料性能急劇惡化，幾乎無法有效除氧，而該FeSiB非晶合金仍可在15小時內(nèi)實現(xiàn)完全除氧，展現(xiàn)出優(yōu)異的低溫適應(yīng)性。

圖1 鐵基非晶合金除氧材料的結(jié)構(gòu)示意圖、應(yīng)用場景及除氧性能

FeSiB非晶合金更在除氧容量上實現(xiàn)了突破。得益于Fe氧化過程對Si的協(xié)同氧化激活作用，該材料24小時等效除氧容量可達1.439 L/g，已接近傳統(tǒng)鐵基材料的理論極限；48小時進一步提升至1.596 L/g，超越純鐵的理論除氧上限。此外，該材料在室溫密封儲存30天后性能無衰減，且原料成本低、工藝簡單。基于12小時除氧容量性能測算，其成本效益約為傳統(tǒng)還原鐵粉的2.3倍，具備良好的產(chǎn)業(yè)化潛力。

分子動力學(xué)模擬結(jié)果表明，非晶結(jié)構(gòu)可顯著降低氧氣吸附能壘，并有效促進氧分子解離。計算顯示，F(xiàn)eSiB非晶合金的氧氣吸附能壘僅為1.29 eV，遠低于晶態(tài)純鐵的3.39 eV。此外，該材料在反應(yīng)過程中呈現(xiàn)出優(yōu)異的自催化特性：反應(yīng)生成的γ?FeO(OH)納米多孔產(chǎn)物與硅藻土復(fù)合，構(gòu)筑出“保水區(qū)—強吸附區(qū)”多級結(jié)構(gòu)，有利于O2與H2O的快速輸運，并持續(xù)暴露活性位點，使反應(yīng)速率隨反應(yīng)進程不斷提升，從本質(zhì)上解決了傳統(tǒng)脫氧材料后期動力學(xué)衰減的問題。

圖2 鐵基非晶合金與傳統(tǒng)材料除氧性能對比

圖3 分子動力學(xué)模擬結(jié)果

該研究首次揭示了鐵基非晶合金在化學(xué)除氧領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為非晶合金拓展了新的應(yīng)用領(lǐng)域。相關(guān)材料有望在食品藥品包裝、氣體純化與氣氛調(diào)控、化工及生物等對氧敏感領(lǐng)域獲得應(yīng)用，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新的材料支撐。

主要作者介紹

斯佳佳（第一作者，通訊作者）：合肥工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院副教授。博士畢業(yè)于北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點實驗室，后于清華大學(xué)完成博士后研究工作。主要研究方向為非晶與高熵合金、金屬材料表面工程。主持國家自然科學(xué)基金青年項目、中國博士后科學(xué)基金特別資助項目、中國博士后科學(xué)基金面上項目等多項課題。在Nature Communications、Materials Research Letters、Journal of Hazardous Materials、Corrosion Science等知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文40余篇，論文總被引2100余次；申請中國發(fā)明專利20余項，申請并獲國際PCT專利1項。

欒亨偉博士（共同第一作者）：香港城市大學(xué)博士后，導(dǎo)師為呂堅院士。2016年獲清華大學(xué)學(xué)士學(xué)位，2022年獲清華大學(xué)博士學(xué)位，師從姚可夫教授。主要研究方向為高熵合金、非晶合金及人工智能+ 材料。累計發(fā)表學(xué)術(shù)論文37篇，其中以第一作者（含共同）及通訊作者身份在Nature Communications（2 篇）、Acta Materialia、Advanced Science、Journal of Materials Science & Technology、Scripta Materialia等期刊發(fā)表多篇高水平論文。論文總被引2100余次，H指數(shù) 21。個人主頁：https://www.researchgate.net/profile/Hengwei-Luan

徐光青（通訊作者）：合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長、教授。全國熱處理學(xué)會理事，安徽省硅酸鹽學(xué)會理事。主要從事材料表面防護、金屬強韌化及微納粉體的制備及表征等方面的研究。先后主持國家自然科學(xué)基金、中國博士后基金、安徽省重點研發(fā)計劃、安徽省自然科學(xué)基金等研究項目。以第一或通訊作者在Nature Communications、Applied Catalysis B: Environmental、Nanoscale等學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文七十余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利二十余項，分別獲安徽省科技進步二等獎1項，安徽省科技進步三等獎1項，中國有色金屬工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎科技進步二等獎1項。

呂堅院士（通訊作者）：法國國家技術(shù)科學(xué)院（NATF）院士、香港工程院院士、香港材料研究會理事長（HKMRS）、香港城市大學(xué)機械工程系講座教授、工學(xué)院院長、國家貴金屬材料工程研究中心香港分中心主任、先進結(jié)構(gòu)材料中心主任。研究方向涉及先進結(jié)構(gòu)與功能納米材料的設(shè)計、制備和性能，圖靈及高熵合金催化劑，超高靈敏度表面增強拉曼光譜（SERS）及其應(yīng)用等。2006年與2017年分別獲法國總統(tǒng)任命獲法國國家榮譽騎士勛章及法國國家榮譽軍團騎士勛章，2018年獲中國工程院光華工程科技獎。已取得84項歐、美（50項）、中發(fā)明專利授權(quán)，在本領(lǐng)域頂尖雜志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials等專業(yè)雜志上發(fā)表論文580余篇，引用五萬余次。個人主頁：https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

姚可夫（通訊作者）：清華大學(xué)材料學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主持和參與國家重點研發(fā)計劃項目、“973”項目、“863”項目、國家自然科學(xué)基金重點項目與面上項目等多項項目。擔(dān)任中國材料研究學(xué)會理事、中國金屬學(xué)會非晶合金分會副主任委員。國家精品課、國家精品資源共享課“工程材料”課程負責(zé)人，入選北京市高等學(xué)校教學(xué)名師，主編的《工程材料》第5版獲全國優(yōu)秀教材二等獎。研究方向涉及非晶合金、高熵合金和非晶-納米晶等金屬材料的制備、加工與應(yīng)用等，并在Nature Communications, Acta Materialia等期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利20余項。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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