东北大学青年教师在高熵合金纳米颗粒研究上取得重要进展

作者:李逸兴编辑:刘颖慧 周洛琦来源:新闻网更新日期:2021-10-09浏览次数:12

近日,东北大学材料科学与工程学院青年教师李逸兴博士在高熵合金纳米颗粒的制备与其应用上取得重要进展,相关研究成果以“High-Entropy-Alloy Nanoparticles with Enhanced Interband Transitions for Efficient Photothermal Conversion”为题发表在化学类顶级期刊Angewandte Chemie International EditionAngew. Chem. Int. Ed. 2021, 10.1002/anie.202112520)上。该研究利用直流电弧等离子体放电方法制备一系列过渡族金属元素高度混溶的合金纳米颗粒,通过水蒸发速率测定结合密度泛函理论计算验证,证实上述纳米颗粒具有优异的光热转换效率和应用前景。

该工作的第一作者为东北大学材料学院青年教师李逸兴博士与博士研究生廖怡君,李逸兴于20207月于加入东北大学材料科学与工程学院,目前已在Sci. Bull., Carbon, Nanoscale, J. Appl. Phys.等期刊发表论文20余篇。该工作的共同通讯作者为东北大学/杭州电子科技大学张雪峰教授和中国药科大学徐波副教授。该工作得到了国家自然科学基金(U1908220),浙江省自然科学基金(LR18E010001, 2019C01121)和国家重点研发计划(2019YFE0121700)的支持。

据悉,光热转换材料因其优异太阳能转换应用效率,成为了应对水污染问题及实现海水淡化的重要材料。传统光热转换材料基于局域等离子激元特性进行设计,实现了较为高效的光热转换,但是由于等离子激元振动频率有限,难以赋予材料宽波段吸收性能,影响吸收效率。因此,宽频、高效的光热转换材料亟待开发。

太阳能作为电磁波的一种,由于其波长较短,易与过渡族金属d带的带间吸收产生相互作用。但是不同d带元素具有的能带结构存在差异,仅凭单一元素的带间吸收难以实现有效的光热转换性能。因此,为了获得宽频吸收的新型光热转换材料,需要对费米能级周围4 eV的能带进行填充,实现全太阳光波段的宽频吸收特性。

高熵合金因其所具有的多元素均一混溶的特点成为匹配上述需求的完美材料。其中,块体与微米尺度的高熵合金材料的制备已经得到了广泛深入的研究。但在纳米尺度上,尤其在多于五种组元的高熵合金中,由于扩散长度变短,材料内部的相分离趋势加剧,阻碍了材料的成功合成。

1 高熵合金纳米颗粒TEM-EDS mapping图像. (a) 制备方法示意图,(b)-(f) 高熵合金纳米颗粒TEM-EDS mapping图像.

借助球磨辅助制备的微米级高熵合金作为前驱体,本工作使用直流电弧等离子体放电方法成功获得了具有FCC单相结构的高熵合金纳米颗粒,其元素最大混合数量达到了7种且元素分布均匀。对于上述材料进行的光热转换性能的测试表明,材料在2502500 nm的光谱上表现出了96%的吸收特性,同时在1个模拟太阳光能量下,材料的水蒸发性能随元素的增加同步增强,在7元纳米颗粒中,材料的蒸发速率为2.26 kg m-2 h-1,转化效率为98.4%,展现出了优异的光热转换特性。

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