近日，杭州電子科技大學(xué)戎華威博士和東北大學(xué)李逸興博士等制備一種由高熵合金納米顆粒負(fù)載在木質(zhì)基體上的大尺寸三維太陽光驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了高鹽度條件下穩(wěn)定的長時(shí)間淡化性能。相關(guān)研究成果以“High-entropy-alloy-nanoparticles enabled wood evaporator for efficient photothermal conversion and sustainable solar desalination”為題發(fā)表在Advanced Energy Materials（IF：29.69）上。杭州電子科技大學(xué)戎華威博士為論文通訊作者，東北大學(xué)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(fā)現(xiàn)，固溶3d過渡族金屬元素的高熵合金納米顆粒可通過增強(qiáng)d帶電子之間的躍遷行為（d-d IBTs）對費(fèi)米能級周圍能量區(qū)域進(jìn)行填充（Angew. Chem. Int. Ed. 60, 2021, 27113；Small 18, 2022, 2107265；Natl. Sci. Rev. 9, 2022, nwac041），從而實(shí)現(xiàn)對整個(gè)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(fā)裝置，同時(shí)傳統(tǒng)親水性蒸發(fā)器的耐鹽性差，鹽易在增發(fā)層析出并累積，導(dǎo)致蒸發(fā)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(zhì)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(xiàn)出優(yōu)異的太陽能海水淡化能力。此外，利用三維木質(zhì)基體自身的多孔結(jié)構(gòu)和毛細(xì)作用可以將水由底部快速輸運(yùn)至蒸發(fā)位點(diǎn)，從而可實(shí)現(xiàn)高效的太陽光驅(qū)動(dòng)水蒸發(fā)性能。
圖1. 微觀結(jié)構(gòu)表征。（a）高熵合金負(fù)載三維木質(zhì)基蒸發(fā)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(yīng)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(fā)裝置的光熱轉(zhuǎn)換性能測試可知，隨著復(fù)合組元增多，材料的光熱轉(zhuǎn)換性能增強(qiáng)。其中，負(fù)載著八元（FeCoNiTiVCrMnCu）高熵合金納米顆粒的三維木質(zhì)基蒸發(fā)裝置（8-HEA-BW）在一個(gè)太陽下蒸發(fā)速率達(dá)2.58 kg m-2h-1。
圖 2. 光熱水蒸發(fā)轉(zhuǎn)換性能（a）不同角度的HEA-BW蒸發(fā)器的示意圖。（b） 在1-5次太陽照射下，不同角度的HEA-BW蒸發(fā)器的蒸發(fā)速率（純水）。（c） 不同角度的HEA-BW蒸發(fā)器在不同鹽水（1個(gè)太陽）中的蒸發(fā)速率。蒸發(fā)速率的-x-HEA-BW蒸發(fā)器在（d）純水和（e）3.5wt%的鹽水中在1-5太陽照射下。
在相關(guān)濃鹽水淡化測試中，相較于天然木材，復(fù)合蒸發(fā)器在頂部負(fù)載高熵合金后，其不對稱潤濕性界面可在木材內(nèi)構(gòu)建鹽的凝結(jié)-溶解微循環(huán)，有效避免頂部析出鹽析出問題。結(jié)果表明，在20 wt%高濃度鹽水條件下，蒸發(fā)器的1 sun太陽光照射下蒸發(fā)速率高達(dá)1.65 kg m-2h-1，且在長時(shí)間循環(huán)蒸發(fā)條件下保持穩(wěn)定，表面無鹽沉積。
圖 3.海水淡化性能。（a） 光學(xué)照片和（b）在高鹽水中海水淡化后，天然木材（1個(gè)周期）和8-HEA-BW蒸發(fā)器（10個(gè)周期）的蒸發(fā)率。（c） 第1和第10個(gè)循環(huán)后，8-HEA-BW蒸發(fā)器的四種不同的離子濃度（Na+、Mg 2+、Ca2+、K+）。虛線是指世界衛(wèi)生組織和美國環(huán)保署的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。（d）天然木材和（e）8-HEA-BW蒸發(fā)器的頂部，側(cè)面和橫截面循環(huán)后的掃描電鏡（SEM）圖及相應(yīng)的EDS圖。據(jù)悉，該工作為大尺寸太陽能蒸發(fā)器的研究和設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，并展現(xiàn)出巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。該研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、遼寧省自然科學(xué)基金等的資助。
據(jù)悉，該工作為大尺寸太陽能蒸發(fā)器的研究和設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，并展現(xiàn)出巨大的實(shí)際應(yīng)用潛力。該研究獲得了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、遼寧省自然科學(xué)基金等的資助。
