導讀：近日，東北大學材料學院李逸興、張雪峰課題組采用直流電弧等離子體制備技術(shù)，成功將一系列高熵合金納米顆粒原位封裝在石墨殼中，制得具有核@殼包覆結(jié)構(gòu)的高熵合金@石墨納米膠囊材料（HEA@C-NPs），并利用其獨特的核@殼結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對光熱轉(zhuǎn)換性能的優(yōu)化提升。相關(guān)研究成果以“Confined high-entropy-alloy nanoparticles within graphitic shells for synergistically improved photothermal conversion”為題發(fā)表在Acta Materialia上。材料學院博士研究生廖怡君為論文第一作者，材料學院青年教師李逸興博士為論文通訊作者。

基于本課題組近期對于高熵合金的研究發(fā)現(xiàn)，基于3d過渡族金屬元素合成的高熵合金可通過增強d帶電子間的帶間吸收（d-d IBTs）實現(xiàn)費米能級周圍能量區(qū)域的完全填充，進而對整個太陽光譜（250—2500 nm）的能量進行轉(zhuǎn)化吸收。但是，當費米能級被完全填充后，意味著材料的吸收能力將面臨瓶頸，限制其光熱轉(zhuǎn)換性能的進一步增強。針對該問題，基于課題組近期制備高熵合金納米材料的相關(guān)經(jīng)驗，借助電弧放電過程中甲烷的原位分解，將一系列具有不同3d過渡金屬組元的高熵合金納米顆粒原位封裝于高缺陷密度石墨殼中。借助石墨包覆殼的光吸收性能及其高缺陷密度帶來的熱導率降低，進一步提升了高熵合金納米顆粒的光熱轉(zhuǎn)換性能。

圖1.微觀結(jié)構(gòu)表征。(a)-(b)FeCoNiTiVCu@C和(c)-(d)FeCoNiTiVMnCu@C的高分辨透射電鏡（TEM）照片、快速傅立葉變換（FFT）以及對應的EDS元素分布。

課題組對其進行相關(guān)光學吸收和光熱轉(zhuǎn)換性能測試，結(jié)果表明，隨著復合組元增多，材料的光熱轉(zhuǎn)換性能增強。其中，8-HEA@C-NPs（FeCoNiTiVCrMnCu@C）在250—2500 nm波長范圍的平均吸收率超過95%；在1個太陽光（1kWm-2）輻照下，可在90 s內(nèi)從室溫迅速升高至105℃，太陽光水蒸發(fā)速率和能量轉(zhuǎn)換效率分別高達2.66 kg m-2h-1和98%，可見其具有優(yōu)異的光響應和光熱轉(zhuǎn)換特性。

圖2.太陽光界面水蒸發(fā)性能。(a)1個太陽光照射過程中負載和沒有負載HEA@C-NPs尼龍膜的紅外照片；（b）-（c）8-HEA@C-NPs在1、3和5個太陽光照射下的水質(zhì)量變化和循環(huán)蒸發(fā)速率曲線，以純水和尼龍膜作對照；(d)所有HEA@C-NPs在1個太陽光照射下的蒸發(fā)速率和能量轉(zhuǎn)換效率總結(jié)。

同時，相比于無石墨殼包覆的純FeCoNiTiVCrMnCu高熵合金納米顆粒的太陽光水蒸發(fā)性能（蒸發(fā)速率為2.29kgm-2h-1），8-HEA@C-NPs的光熱轉(zhuǎn)換性能得到優(yōu)化。結(jié)合理論模擬和實驗測試發(fā)現(xiàn)，石墨碳殼不僅可以增強在Vis-NIR區(qū)域的吸收性能，且由于其具有高密度缺陷所導致的熱導率降低（下降26%），可以在材料上蓄積更多的熱量，以此實現(xiàn)高熵合金納米顆粒核和石墨殼之間的協(xié)同效應光熱轉(zhuǎn)換效應。

圖3.數(shù)值模擬。(a)HEA@C-NPs的協(xié)同優(yōu)化示意圖；(b)-(c）單個金屬納米顆粒和金屬@C納米膠囊在250—2500 nm波長范圍電場增強；（d）密堆分布的金屬@C

納米膠囊在250—2500 nm波長范圍電場增強。

據(jù)悉，本工作揭示了HEA@C-NPs光熱轉(zhuǎn)換性能的優(yōu)化機理，為高性能光熱轉(zhuǎn)換材料的制備和研究提供了新的理論和設(shè)計策略，展現(xiàn)出巨大的實際應用潛力。該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、浙江省重點研發(fā)計劃、遼寧省自然科學基金等的資助。