image: （a） 直流电弧等离子体放电方法合成HEA-NPs的制备示意图；（b） 不同材料的XRD分析结果；（c）21-HEA-NPs透射电镜照片及EDS能谱分析，比例尺：50纳米。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近日，《国家科学评论》杂志在线发表了东北大学李逸兴博士和张雪峰教授的研究成果，该研究团队在极高蒸发温度、超快冷却和蒸汽压策略的辅助下，采用电弧放电等离子体法合成了由21种元素（FeCoNiCrYTiVCuAlNbMoTaWZnCdPbBiAgInMnSn）复合的超混合多金属高熵合金纳米颗粒（HEA-NPs）。由于增强的晶格畸变效应和优异的带间跃迁（IBTs），该HEA-NPs可以在整个太阳光谱内实现平均吸收率达到92%以上。
近年来，由于清洁水消耗量的增加和水资源的严重污染，光热转换材料的水蒸发应用引起了广泛关注。高熵合金纳米颗粒（HEA-NPs）由于增强带间跃迁（IBTs）所引起的费米能级周围能量区域的完全填充使其成为提升光学吸收特性的有力候选者之一。但跨越复合元素的不混溶性实现具有尽可能多种元素均匀混合的HEA-NPs依然面临挑战。针对上述问题，研究人员通过使用直流电弧等离子体设备逐步研究了具有9种,13种,及17种元素混溶的纳米颗粒，明确元素饱和蒸气压对制备过程的影响。通过将具有不同蒸气压的元素进行分组，调控不同组别元素的比例，在直流电弧放电构建的极端制备环境下，合成了21种元素（FeCoNiCrYTiVCuAlNbMoTaWZnCdPbBiAgInMnSn）混溶的纳米颗粒（21-HEA-NPs），其表现出BCC结构和均匀的元素分布。
随后针对不同的材料，作者研究了其光热转换性能。结果表明，伴随元素种类的增加，材料的光热转换能力进一步增强，21-HEA-NPs材料在纯水和3.5 wt%的盐水中的水蒸发速率可达2.42、2.43 kg m-2 h-1, 效率达97.8%和97.9%，展现出优异的光热转换性能。同时，在100 h长循环测试（10 wt%盐水）及户外测试中，材料也表现出相当的稳定性与适应性。作者发现高熵合金光热转换性能的提升主要来自于两个方面：其一为d-d带间转换带来的费米能级周围的强吸收，其由过渡族金属元素贡献；其二是晶格畸变效应带来的热导率降低，其由组成元素的原子半径差异所贡献。二者协同作用，提升了材料的光热转换性能。
研究详情请见原文：
High-entropy-alloy nanoparticles with ultra-mixed 21 elements for efficient photothermal conversion
https://doi.org/10.1093/nsr/nwac041