论文信息：
共同第一作者：谷佳伦，段峰辉，刘思达
通讯作者：吕坚 院士
通讯单位：香港城市大学
论文：https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00514
01 导读
该文以“Phase Engineering of Nanostructural Metallic Materials: Classification, Structures, and Applications”为题发表在顶级期刊Chemical Reviews。通讯作者为吕坚院士（香港城市大学）；作者包括谷佳伦博士，段峰辉博士，刘思达教授，察文豪硕士生。
图1 纳米结构金属材料中的相工程及其应用
02 图文解读
要点一：超纳双相材料
图2 相工程思想调控下的超纳双相纳米结构概况
图3超纳双相纳米结构的分类与结构示意图
高性能电催化剂的研发是可再生能源转化和利用的关键。电催化剂的催化活性和耐久性取决于其相组成、晶体缺陷和形态等因素。超纳双相材料是一种新型的纳米结构催化剂，具有丰富的异质组成相和界面，可作为潜在的催化活性位点；其独特的纳米结构可以调整并优化催化剂表面与反应中间体的吸附/脱附能。超纳双相纳米结构的设计已被证实是提高HER、OER催化活性的有效策略。实验和模拟揭示了异质相界面是加速水解离和电子转移的活性位点，也证实了超纳双相催化剂具有极高的催化剂效率与稳定性。因此，超纳双相纳米材料的催化应用引起了广泛关注，将会是未来催化剂研究热点领域之一。
超纳双相结构是调整纳米催化剂结构和性能的新结构模式。除了异质相的调控，相的拓扑结构是相工程中的另一个基本特征。2023年，吕坚院士团队报道了一种具有特定相构型的新型纳米催化剂：图灵催化剂。PtNiNb图灵催化剂具有超纳尺寸的图灵结构，这一类图灵花样在化学和生物系统中被广泛观察与研究（图5）。这种特殊的相构型具有高密度的纳米孪晶和大晶格应变。图灵催化剂具有本征稳定的纳米孪晶网络，在大电流密度（1000 mA/cm2）下表现出优异的HER活性和稳定性。这项工作极大的扩展了相工程的范畴，图灵催化剂的概念亦可作为调整相的拓扑结构来设计高性能电催化剂的新范例。
图4 超纳双相纳米催化剂
（a）通过热力学计算对Al-Mn-Ru超纳双相体系进行计算；（b） Al-Mn-Ru超纳双相催化剂的HAADF图像；（c）Al-Mn-Ru超纳双相催化剂的STEM图像；（d）Al-Mn-Ru超纳双相催化剂在碱性环境中的LSV曲线；（e）催化剂的Nyquist图；（f） EXAFS表征Al-Mn-Ru超纳双相催化剂的精细结构；（g）Fe-Mo超纳双相矿物质水凝胶的形貌特征；（h）Fe-Mo超纳双相矿物质水凝胶的HRTEM图像；（i）Fe-Mo超纳双相矿物质水凝胶在碱性环境中的LSV曲线；（j）催化剂的稳定性测试曲线；（k）电化学双电层电容。
图5 超纳图灵纳米催化剂
（a）图灵PtNiNb催化剂的HAADF-STEM图像；（b）图灵PtNiNb催化剂中的五重孪晶；（c）图灵催化剂的孪晶晶格应变分析；（d）图灵催化剂及其晶体学特征的示意图；（e）集成了图灵PtNiNb催化剂的AEM器件的LSV曲线；（f）AEM器件在1A/cm2电流密度下表现出极高的催化剂稳定性。
图6 超纳图灵纳米催化剂
（a）（b）Mo-C超纳双相催化剂的TEM图像；（c）（d）Mo-C超纳双相催化剂在不同pH值环境下的HER性能；（e）（f）镍基超纳双相催化剂的形貌和TEM图像；（g）镍基超纳双相催化剂在碱性环境中的HER性能；（h）镍基超纳双相催化剂的电化学双电层电容数值；（i）（j）W-Ni基超纳双相催化剂的形貌和TEM图像；W-Ni基超纳双相催化剂在碱性环境中的HER性能（k）和OER性能（l）。
图7
（a）（b）Fe-Ni-B超纳双相催化剂的HRTEM图像；（c）Fe-Ni-B超纳双相催化剂的OER性能；（d）Fe-Ni-B超纳双相催化剂在不同电流密度下的稳定性测试，插图是稳定性测试后的TEM图像；（e）Fe-Ni-B超纳双相催化剂的XANES图谱；（f）镍边的小波变换图像；（g）Ni-Fe-B超纳双相催化剂的HRTEM图像；（h）Ni-Fe-B超纳双相催化剂非晶区域的高分辨图像；（i）Ni-Fe-B超纳双相催化剂的OER性能。
要点二：纳米沉淀强化材料
金属结构材料中的纳米魔法：如何利用高密度纳米析出相打造超强材料 金属结构材料中的纳米世界隐藏着无尽的奥秘与强大的潜力。引入高密度的纳米析出相，成为了一种颠覆性的创新策略，为高性能工程结构材料的设计打开了一扇全新的大门。这种神奇的纳米析出相就像一群微型哨兵，精准地阻碍位错运动，赋予材料卓越的强化效果。自从20世纪初，铝合金中首次出现纳米沉淀强化的曙光，这一策略便迅速在镁合金、钛合金、钢和高温合金等多个领域崭露头角。近年来，高熵合金新合金设计理念的崛起，更是引领了一场混合元素的革新。等摩尔比或近等摩尔比的多组元混合，为形成稳定且细小的纳米析出相创造了条件。高熵合金中的元素迟滞扩散效应，更是将纳米沉淀强化推向了一个全新的高度。然而，强化的同时往往伴随着塑性的降低，这一“强度-塑性”的制约关系成为了目前纳米沉淀强化面临的主要挑战。幸运的是，最新的实验结果表明，通过细致调控析出相的特性，如沉淀物结构、尺寸、形状、体积分数、与基体的共格关系以及分布等，我们有可能获得兼具高强度和高塑性的金属结构材料，甚至可能解锁一些前所未有的优异功能特性。总之，金属结构材料的未来在于纳米。让我们共同期待这个神奇的纳米世界会带给我们更多令人惊叹的科技成果。
图8 纳米析出相的特性对力学性能的影响
(a) 晶界析出相，(b) 非共格析出相，(c) 晶粒内部的共格纳米析出相。在拉伸载荷下，(a1)晶界析出相和(b1)非共格析出相周围出现应力集中，分别引起 (a2) 晶间脆性断裂和 (b2)析出物和基体之间非共格界面裂纹扩展。而（c1）在共格纳米析出相周围没有形成明显的应力集中，导致（c2）延性断裂模式。(d)引入共格纳米析出相，导致强度-延展性协同优于引入晶界析出相和晶内非共格沉淀物所实现的效果。
揭秘金属的超强“韧劲”：析出相如何成就“刚柔并济”之才？在这个综述中，我们将引领您深入析出相的奥秘，探索它如何赋予金属结构材料超凡的强塑性。我们特别关注高密度共格纳米析出相，揭示其作为强韧化金属结构材料的神奇力量，为未来的纳米沉淀强化合金研究与设计指明方向。让我们一探不同类型的纳米析出相：双功能、多级结构、层状、核壳结构等。它们各具特色，对合金的强塑性匹配产生深远影响。这些独特的析出相，预示着合金材料强韧化设计的全新篇章。最后，我们总结了共格纳米析出相策略在提升金属结构材料功能特性方面的卓越表现。共格纳米析出相在各种合金系统中的应用，正在引领一场材料性能与应用的革命。它们作为未来材料工程与设计的关键工具，其潜力无可限量。总而言之，刚柔并济的共格纳米析出相，正在逐步展现其作为变革性力量的无限可能。金属结构材料的明天，正掌握在它们手中。
图9 金属材料中不同类型的共格纳米析出相形貌
(a) 可剪切的 κ-碳化物和不可剪切的 B2相的密集拓扑共析出； (b) 具有多级结构的共格纳米析出相；(c) 核壳结构的共格纳米析出相；(d) 层状结构的共格纳米析出相。
要点三：纳米孪晶强化材料
纳米结构金属材料中另一种有效的结构相工程策略是构筑高密度纳米孪晶结构。纳米孪晶结构材料具有优异的综合性能，包括超高强度和硬度、良好的塑性、优异的抗疲劳性能、高热稳定性和高电导率等。这些优异综合性能源于孪晶界的两个主要特性：共格对称和超低晶界能；前者导致独特的位错-孪晶界反应-孪晶界不仅阻碍位错运动，导致强化，而且还能够容纳位错在孪晶界上以及孪晶片层内滑移和积累，从而减弱塑性的损失。孪晶界的低能特性则导致了纳米孪晶结构相比普通纳米晶具有极高的热稳定性。比如，磁控溅射制备的柱状纳米孪晶铜薄膜即使在 800℃ (0.8 Tm)退火后纳米孪晶结构依然稳定存在。此外，纳米孪晶结构可以显着强化和稳定非金属材料，如硅、金刚石和立方氮化硼。在半导体纳米线中引入纳米孪晶结构也会导致其光学和电子性能方面的提升。纳米孪晶结构的上述特征表明其在高性能结构工程、量子光学、微纳米器件和微机电系统等各种材料领域具有广阔的应用前景。
在该综述文章中，我们将介绍一下目前纳米孪晶结构材料研究的最新进展：1)如何实现极小孪晶片层厚度下的持续强化从而获得超高强度？2)构筑梯度纳米孪晶结构和多级纳米孪晶结构提升强塑性匹配；3）高层错能金属中高密度纳米孪晶结构的制备。最后我们对纳米孪晶结构的研究进行了简单的展望。
图10
具有良好强塑性匹配的的多级纳米孪晶结构金属材料（a）银；（b）TWIP钢；（c）镁合金；（d）纯钛。