新纪录！含21种元素的稳定高熵合金 | NSR

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东北大学李逸兴博士、张雪峰教授等创纪录地合成了均匀混有21种元素的高熵合金纳米颗粒，并实现了高效的光热转换性能。《国家科学评论》（National Science Review, NSR）近期发文报道了该成果。

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，高熵合金纳米颗粒（HEA-NPs）显现出优越的光学吸收特性，可能在盐水淡化等水蒸发相关领域发挥重要作用。而该种材料面临的主要挑战是：如何跨越复合元素的不混溶性，实现具有尽可能多种元素的均匀混合？

在这项研究中，研究者使用直流电弧等离子体设备，逐步研究了具有9种、13种、17种元素混溶的纳米颗粒，明确了元素饱和蒸气压对材料形成的影响。在此基础上，研究者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。

（a）直流电弧等离子体放电方法合成HEA-NPs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。 

随后，研究者研究了上述材料的光热转换性能。结果表明，随着元素种类的增加，材料的光热转换能力随之增强，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。

高熵合金纳米颗粒的光热水蒸发特性。高熵合金纳米颗粒在1个模拟太阳光下对应的水质量变化曲线及21-HEA-NPs在1~5 sun下的水蒸发速率曲线，（a）-（c）为纯水条件（d）-（f）为3.5 wt%盐水条件。

研究者进一步探讨了高熵合金光热转换性能提升的原因，主要有两个方面：1）d-d带间转换带来的费米能级周围的强吸收，由过渡族金属元素贡献；2）晶格畸变效应带来的热导率降低，由组成元素的原子半径差异所贡献。二者协同作用，共同提升了材料的光热转换性能。

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