近日，开云体育戎华威博士和东北大学李逸兴博士等制备一种由高熵合金纳米颗粒负载在木质基体上的大尺寸三维太阳光驱动水蒸发器，实现了高盐度条件下稳定的长时间淡化性能。相关研究成果以“High-entropy-alloy-nanoparticles enabled wood evaporator for efficient photothermal conversion and sustainable solar desalination”为题发表在Advanced Energy Materials（IF：29.69）上。开云体育戎华威博士为论文通讯作者，东北大学青年教师李逸兴博士，硕士研究生马艺为论文第一作者。
基于课题组近期研究发现，固溶3d过渡族金属元素的高熵合金纳米颗粒可通过增强d带电子之间的跃迁行为（d-d IBTs）对费米能级周围能量区域进行填充（Angew. Chem. Int. Ed. 60, 2021, 27113；Small 18, 2022, 2107265；Natl. Sci. Rev. 9, 2022, nwac041），从而实现对整个太阳光谱（250-2500 nm）的高效吸收。然而，纳米颗粒难以制成大尺寸的蒸发装置，同时传统亲水性蒸发器的耐盐性差，盐易在增发层析出并累积，导致蒸发速率降低，性能劣化。
针对上述问题，通过将具有疏水特性的高熵合金纳米颗粒与亲水性木质基体形成不对称润湿性界面，有效解决了盐的积累问题，在高盐浓度条件下表现出优异的太阳能海水淡化能力。此外，利用三维木质基体自身的多孔结构和毛细作用可以将水由底部快速输运至蒸发位点，从而可实现高效的太阳光驱动水蒸发性能。
图1. 微观结构表征。（a）高熵合金负载三维木质基蒸发器示意图（b）-（c）高熵合金纳米颗粒8-HEA-NPs（FeCoNiTiVCrMnCu）和7-HEA-NPs（FeCoNiTiVCrCu）的高分辨透射电镜（TEM）照片以及对应的EDS元素分布（d）8-HEA-BW顶部和横截面扫描电镜（SEM）照片（e）8-HEA-BW横截面不同位置的的EDS元素图。
由该蒸发装置的光热转换性能测试可知，随着复合组元增多，材料的光热转换性能增强。其中，负载着八元（FeCoNiTiVCrMnCu）高熵合金纳米颗粒的三维木质基蒸发装置（8-HEA-BW）在一个太阳下蒸发速率达2.58 kg m-2h-1。
图 2. 光热水蒸发转换性能（a）不同角度的HEA-BW蒸发器的示意图。（b） 在1-5次太阳照射下，不同角度的HEA-BW蒸发器的蒸发速率（纯水）。（c） 不同角度的HEA-BW蒸发器在不同盐水（1个太阳）中的蒸发速率。蒸发速率的-x-HEA-BW蒸发器在（d）纯水和（e）3.5wt%的盐水中在1-5太阳照射下。
在相关浓盐水淡化测试中，相较于天然木材，复合蒸发器在顶部负载高熵合金后，其不对称润湿性界面可在木材内构建盐的凝结-溶解微循环，有效避免顶部析出盐析出问题。结果表明，在20 wt%高浓度盐水条件下，蒸发器的1 sun太阳光照射下蒸发速率高达1.65 kg m-2h-1，且在长时间循环蒸发条件下保持稳定，表面无盐沉积。
图 3.海水淡化性能。（a） 光学照片和（b）在高盐水中海水淡化后，天然木材（1个周期）和8-HEA-BW蒸发器（10个周期）的蒸发率。（c） 第1和第10个循环后，8-HEA-BW蒸发器的四种不同的离子浓度（Na+、Mg 2+、Ca2+、K+）。虚线是指世界卫生组织和美国环保署的饮用水标准。（d）天然木材和（e）8-HEA-BW蒸发器的顶部，侧面和横截面循环后的扫描电镜（SEM）图及相应的EDS图。据悉，该工作为大尺寸太阳能蒸发器的研究和设计提供了理论和实验指导，并展现出巨大的实际应用潜力。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、辽宁省自然科学基金等的资助。
据悉，该工作为大尺寸太阳能蒸发器的研究和设计提供了理论和实验指导，并展现出巨大的实际应用潜力。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划、辽宁省自然科学基金等的资助。
