近日，杭州電子科技大學戎華威博士和東北大學李逸興博士等制備一種由高熵合金納米顆粒負載在木質基體上的大尺寸三維太陽光驅動水蒸發器，實現了高鹽度條件下穩定的長時間淡化性能。相關研究成果以“High-entropy-alloy-nanoparticles enabled wood evaporator for efficient photothermal conversion and sustainable solar desalination”為題發表在Advanced Energy Materials（IF：29.69）上。杭州電子科技大學戎華威博士為論文通訊作者，東北大學青年教師李逸興博士，碩士研究生馬藝為論文第一作者。
基于課題組近期研究發現，固溶3d過渡族金屬元素的高熵合金納米顆粒可通過增強d帶電子之間的躍遷行為（d-d IBTs）對費米能級周圍能量區域進行填充（Angew. Chem. Int. Ed. 60, 2021, 27113；Small 18, 2022, 2107265；Natl. Sci. Rev. 9, 2022, nwac041），從而實現對整個太陽光譜（250-2500 nm）的高效吸收。然而，納米顆粒難以制成大尺寸的蒸發裝置，同時傳統親水性蒸發器的耐鹽性差，鹽易在增發層析出并累積，導致蒸發速率降低，性能劣化。
針對上述問題，通過將具有疏水特性的高熵合金納米顆粒與親水性木質基體形成不對稱潤濕性界面，有效解決了鹽的積累問題，在高鹽濃度條件下表現出優異的太陽能海水淡化能力。此外，利用三維木質基體自身的多孔結構和毛細作用可以將水由底部快速輸運至蒸發位點，從而可實現高效的太陽光驅動水蒸發性能。
圖1. 微觀結構表征。（a）高熵合金負載三維木質基蒸發器示意圖（b）-（c）高熵合金納米顆粒8-HEA-NPs（FeCoNiTiVCrMnCu）和7-HEA-NPs（FeCoNiTiVCrCu）的高分辨透射電鏡（TEM）照片以及對應的EDS元素分布（d）8-HEA-BW頂部和橫截面掃描電鏡（SEM）照片（e）8-HEA-BW橫截面不同位置的的EDS元素圖。
由該蒸發裝置的光熱轉換性能測試可知，隨著復合組元增多，材料的光熱轉換性能增強。其中，負載著八元（FeCoNiTiVCrMnCu）高熵合金納米顆粒的三維木質基蒸發裝置（8-HEA-BW）在一個太陽下蒸發速率達2.58 kg m-2h-1。
圖 2. 光熱水蒸發轉換性能（a）不同角度的HEA-BW蒸發器的示意圖。（b） 在1-5次太陽照射下，不同角度的HEA-BW蒸發器的蒸發速率（純水）。（c） 不同角度的HEA-BW蒸發器在不同鹽水（1個太陽）中的蒸發速率。蒸發速率的-x-HEA-BW蒸發器在（d）純水和（e）3.5wt%的鹽水中在1-5太陽照射下。
在相關濃鹽水淡化測試中，相較于天然木材，復合蒸發器在頂部負載高熵合金后，其不對稱潤濕性界面可在木材內構建鹽的凝結-溶解微循環，有效避免頂部析出鹽析出問題。結果表明，在20 wt%高濃度鹽水條件下，蒸發器的1 sun太陽光照射下蒸發速率高達1.65 kg m-2h-1，且在長時間循環蒸發條件下保持穩定，表面無鹽沉積。
圖 3.海水淡化性能。（a） 光學照片和（b）在高鹽水中海水淡化后，天然木材（1個周期）和8-HEA-BW蒸發器（10個周期）的蒸發率。（c） 第1和第10個循環后，8-HEA-BW蒸發器的四種不同的離子濃度（Na+、Mg 2+、Ca2+、K+）。虛線是指世界衛生組織和美國環保署的飲用水標準。（d）天然木材和（e）8-HEA-BW蒸發器的頂部，側面和橫截面循環后的掃描電鏡（SEM）圖及相應的EDS圖。據悉，該工作為大尺寸太陽能蒸發器的研究和設計提供了理論和實驗指導，并展現出巨大的實際應用潛力。該研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、浙江省重點研發計劃、遼寧省自然科學基金等的資助。
據悉，該工作為大尺寸太陽能蒸發器的研究和設計提供了理論和實驗指導，并展現出巨大的實際應用潛力。該研究獲得了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、浙江省重點研發計劃、遼寧省自然科學基金等的資助。
