成都理工大學李小可&王紅兵 Water Research|高熵合金氧化物的協同水活化實現超低焓太陽能海水淡化

壹.

成果簡介

近日，成都理工大學李小可&王紅兵課題組在環境領域頂級期刊Water Research(IF= 11.4，JCR一區，中科院一區TOP) 發表了題為“Synergistic Water Activation on High-Entropy Alloy Oxides Enables Ultralow-Enthalpy Solar Desalination”的研究論文 。

針對太陽能界面蒸發（SIE）中水汽化焓過高的核心限制，研究團隊提出了一種利用高熵合金氧化物（HEAO）獨特性質的轉換策略 。該工作通過高效的閃蒸焦耳熱技術，在碳布（CC）基底上實現了單相 (FeCoNiCuCr)?O? HEAO 納米顆粒的均勻合成 。 研究的核心創新在于發現 HEAO 功能層構建了一個獨特的“親水-電子”雙重性質表面 。通過多價金屬位點和氧空位的協同效應，該表面能主動重構界面水分子的氫鍵網絡 。這種“捕獲-活化”機制使其蒸發焓顯著降低至 1290.9 J·g?1，相比純水降低了近 50% 。得益于較低的蒸發焓，該復合蒸發器（CCH）在一個太陽光強下實現了 2.627 kg·m?2·h?1 的蒸發速率 。 此外，結合 XPS 分析與密度泛函理論（DFT）計算，研究團隊從原子和電子層面揭示了 HEAO 表面如何通過幾何效應和電子轉移削弱水分子 O-H 鍵的機制 。在實際應用測試中，CCH 展現出卓越的耐鹽性，不僅能處理高鹽度鹵水，還能在 pH=3-11 的寬范圍內保持穩定，產水水質符合 WHO 飲用水標準 。該工作不僅為高效太陽能海水淡化提供了先進的材料解決方案，也為設計全新的界面蒸發器提供了新的理論視角 。

貳.

研究背景

全球水危機與綠色解決方案隨著全球淡水危機的日益嚴峻，太陽能界面蒸發（SIE）技術憑借其綠色、可持續的特性，被視為海水淡化領域極具前景的解決方案。盡管現有的光熱材料在光吸收和熱產生方面取得了顯著效果，但SIE系統的整體蒸發效率仍受到一個根本性約束——水的高汽化焓 。這意味著，要讓液態水轉變為水蒸氣，需要克服巨大的能量勢壘。 目前廣泛使用的二維（2D）蒸發器（如碳布、薄膜等）因其制備簡單、可擴展性強而備受關注。然而，這些材料通常由化學惰性物質組成，缺乏能夠與水分子深度相互作用的功能基團。它們本質上扮演的是“被動”光熱轉換層的角色——只能“加熱”，卻無法從分子層面“活化”水分子以降低其蒸發能壘。為了突破這一熱力學限制，賦予簡單的2D平臺以“主動催化”水蒸發的功能成為關鍵。高熵合金氧化物（HEAO）因其廣譜吸收、可調電子結構和多元素協同特性進入了研究人員的視野。本研究正是基于此，提出了一種轉換策略。利用 HEAO 表面的多價金屬位點和氧空位，構建“親水-電子”雙重性質表面，主動重構界面水分子的氫鍵網絡，從而大幅降低蒸發焓，實現高效的太陽能海水淡化。

叁.

研究數據

圖1（a） CCH的制備;（b）CCH蒸發示意圖

圖2（a） CC、CCH的XRD光譜;（b-c）CCH的SEM圖像;（d） CCH的透射TEM圖像;（e-f）CCH的能量色散光譜儀（EDS）分析

圖3 XPS對CCH的成分分析：（a-f）Co 2p、Fe 2p、O 1s、Cu 2p、Ni 2p和Cr 2p光譜

圖4（a） CCH的接觸角測量;（b）CC和CCH的紫外對近紅外吸收光譜;（c）通過紅外熱成像捕捉的CCH表面溫度;（d）CCH表層和散裝水的溫度;（e）蒸發速率和效率;（f） 蒸發焓

圖5（a）HEAO和HEAO-ov的理論模型圖（俯視圖）;（b）Fe3O4-ov、HEAO 和 HEAO-ov的吸附能;（c） 不同模型的晶體軌道的COHP分析;（d-f）DFT計算確定的氫鍵長度和電荷密度Fe3O4-ov、HEAO和HEAO-ov

圖6（a）不同濃度鹽溶液中的質量損失;（b） 蒸發速率 （c） CCH的循環實驗;（d） 海水淡化前后總TDS值。（e）淡化前后離子濃度變化;（f） CCH與其他太陽能蒸發器的比較;（g） 戶外蒸發裝置示意圖（厘米）;（h） 不同時間段內的體積淡水產量;（i）測量電極間電阻以評估水質純度

肆.

作者簡介

第一作者：

李金池，成都理工大學材料與化學化工學院2023級碩士研究生，累計發表SCI論文3篇。郵箱：lijinchi2002@163.com

徐愛浩，廣西大學工學博士，現任廣西醫學科學院&廣西壯族自治區人民醫院研究人員。主要研究領域為小分子（CO?和O?等）催化轉化、納米酶催化治療與生物醫用材料研發，以第一作者（含共同）身份在Applied Catalysis B: Environment and Energy等期刊發表多篇SCI論文

通訊作者：

李小可，成都理工大學副教授，碩士生導師，西安交通大學博士后，主要從事太陽能光熱轉換與太陽能熱利用技術相關領域的研究，截止目前共發表SCI論文及中文核心期刊論文70余篇，總他引次數超過2000次，H指數為15，并有多篇論文入選ESI熱點論文和高被引論文，連續四年入選全球前2%頂尖科學家(2022，2023，2024，2025)。郵箱：xiaokeli319@126.com

王紅兵，成都理工大學研究員，碩士生導師。2024年于中國工程物理研究院材料研究所獲工學博士學位，同年入選成都理工大學“珠峰引才計劃”C1類學科專業后備人才。主要從事能源小分子催化轉化、表界面化學及多相催化領域的研究工作，聚焦于能源小分子的高效催化轉化機制及表界面動態過程。在Journal of Catalysis，Applied Surface Science，ACS Applied Materials & Interfaces，Energy & Fuels，Chemical Engineering Journal，Journal of Materiomics等期刊發表SCI論文13余篇。

黃奔，博士生導師，首屆廣西高校引進海外高層次人才“百人計劃”，廣西高層次人才E級。干細胞與細胞治療創新團隊負責人，主持9項省和國家級的課題，包括國家自然基金四項，廣西科技基地和人才專項一項，廣西“百人計劃”項目一項，廣西留學回國重點項目一項，廣西重點研發計劃一項，廣西自然基金重點項目一項。近年來發表SCI收錄學術論文20余篇，包括Biomaterials, Stem Cells and Development, Biology of Reproduction等。申報發明專利14項，其中國際PCT專利兩項，已獲授權4項。參與編寫專著一部。獲得廣西自然科學一等獎一項。

伍.

https://doi.org/10.1016/j.watres.2025.125268