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，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@殼包覆結構的高熵合金@石墨納米膠囊材料（HEA@C-NPs），并利用其獨特的核@殼結構實現了對光熱轉換性能的優化提升。相關研究成果以“Confined high-entropy-alloy nanoparticles within graphitic shells for synergistically improved photothermal conversion”為題發表在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現，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）實現費米能級周圍能量區域的完全填充，進而對整個太陽光譜（250—2500 nm）的能量進行轉化吸收。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經驗，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換性能。

圖1.微觀結構表征。(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光學吸收和光熱轉換性能測試，結果表明，隨著復合組元增多，材料的光熱轉換性能增強。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內從室溫迅速升高至105℃，太陽光水蒸發速率和能量轉換效率分別高達2.66 kg m-2h-1和98%，可見其具有優異的光響應和光熱轉換特性。

圖2.太陽光界面水蒸發性能。(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量變化和循環蒸發速率曲線，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速率和能量轉換效率總結。

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性能（蒸發速率為2.29kgm-2h-1），8-HEA@C-NPs的光熱轉換性能得到優化。結合理論模擬和實驗測試發現，石墨碳殼不僅可以增強在Vis-NIR區域的吸收性能，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，以此實現高熵合金納米顆粒核和石墨殼之間的協同效應光熱轉換效應。

圖3.數值模擬。(a)HEA@C-NPs的協同優化示意圖；(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。

據悉，本工作揭示了HEA@C-NPs光熱轉換性能的優化機理，為高性能光熱轉換材料的制備和研究提供了新的理論和設計策略，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。