同源金属异质材料家族：化学键合金属界面的设计与高电流密度电解水应用

研究人员针对异质材料界面结合强度与导电性难以兼顾的难题，开发出具有化学键合金属界面的同源金属异质材料(HMHs)。通过金属源扩散引发界面键合策略，成功制备4类20种材料，其界面结合力提升2-3倍且具备金属导电性。应用于电解水时，在500 mA cm-2电流密度下实现1.06 μV h-1的创纪录衰减率，超越美国能源部2040年目标。该研究为异质界面设计提供了新范式。

　　

在能源材料领域，异质材料界面性能一直是制约器件效率与稳定性的关键瓶颈。传统异质结构面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境：范德华(vdW)结合界面虽能保持原子级平整但结合力薄弱，而化学键合界面虽强度高却常形成电荷传输势垒。这一矛盾在电解水等高电流密度应用中尤为突出——剧烈气泡冲击需要MPa级界面结合力，而高效电荷转移又要求界面电阻趋近于零。现有技术如湿化学合成、气相沉积等方法均无法同时满足这两个看似矛盾的需求，严重制约着新能源器件的发展。

针对这一重大挑战，清华大学深圳国际研究生院深圳盖姆石墨烯中心的研究团队创新性地提出了"同源金属异质材料"(HMHs)概念。通过金属源扩散引发界面键合的策略，成功构建了兼具化学键合强度与金属导电特性的新型异质界面。相关研究成果发表在《National Science Review》上，为解决异质材料界面设计的世纪难题提供了突破性方案。

研究团队主要运用了四项关键技术：1)金属源扩散引发界面键合制备HMHs；2)球差校正扫描透射电镜(STEM)结合微分相位衬度(DPC)技术表征界面电场分布；3)电子能量损失谱(EELS)分析界面化学键态；4)原位光学偏振成像法(IPIM)实现高通量活性筛选。通过系统优化合成参数，最终获得质量负载5 mg cm^-2、退火温度750°C、真空度10^-3 Pa的最佳制备条件。

【合成与表征HMHs家族】

研究团队成功制备了包含A-A₈BX₈、A-AB₆X₈、A-AB₂X₄和A-A_mX_n四大类20种材料的HMHs家族。X射线衍射(XRD)与高分辨透射电镜(HRTEM)证实材料均呈现金属特性，典型代表如Co₈FeS₈立方相、CuMo₆S₈菱方相等结构。

【化学键合金属界面特性】

DPC-STEM三维成像显示HMHs界面电场分布均匀，而对照样品存在6倍场强集中。EELS分析Cu L₃/L₂强度比梯度变化(0.70→1.08)，证实界面存在电子离域态与化学键合。微划痕实验表明HMHs界面结合力达对照样品的2-3倍。

【高通量筛选与优化】

开发的原位偏振成像法(IPIM)通过气泡散射偏振度(DOP)变化快速评估催化活性，筛选出CoFe-HMH等高性能材料。该方法与电化学测试结果偏差<15 mV，实现10×10 cm²级大面积样品快速评估。

【高电流密度电解应用】

在2 A cm^-2电流密度下，HMHs过电位(η)显著低于商用Pt/C(336 mV)和IrO₂(349 mV)。组装的阴离子交换膜电解槽(AEMWE)在1 A cm^-2仅需1.76 V，1000小时衰减率低至1.06 μV h^-1，创历史最佳纪录。

这项研究通过精确调控异质界面电子结构，首次实现了化学键合强度与金属导电性的完美统一。HMHs家族材料展现的创纪录性能指标，不仅为发展下一代电解水技术提供了材料基础，其揭示的界面设计原则更可推广至电子器件、结构材料等领域。特别是提出的金属源扩散引发键合策略，为构建新型异质界面提供了普适性方法。该工作被审稿人评价为"界面科学领域的重要突破"，其报道的衰减率指标甚至超越了美国能源部设定的2040年技术目标，展现出巨大的产业化应用前景。