成都理工大学李小可&王红兵 Water Research|高熵合金氧化物的协同水活化实现超低焓太阳能海水淡化

壹.

成果简介

近日，成都理工大学李小可&王红兵课题组在环境领域顶级期刊Water Research(IF= 11.4，JCR一区，中科院一区TOP) 发表了题为“Synergistic Water Activation on High-Entropy Alloy Oxides Enables Ultralow-Enthalpy Solar Desalination”的研究论文 。

针对太阳能界面蒸发（SIE）中水汽化焓过高的核心限制，研究团队提出了一种利用高熵合金氧化物（HEAO）独特性质的转换策略 。该工作通过高效的闪蒸焦耳热技术，在碳布（CC）基底上实现了单相 (FeCoNiCuCr)₃O₄ HEAO 纳米颗粒的均匀合成 。 研究的核心创新在于发现 HEAO 功能层构建了一个独特的“亲水-电子”双重性质表面 。通过多价金属位点和氧空位的协同效应，该表面能主动重构界面水分子的氢键网络 。这种“捕获-活化”机制使其蒸发焓显著降低至 1290.9 J·g⁻¹，相比纯水降低了近 50% 。得益于较低的蒸发焓，该复合蒸发器（CCH）在一个太阳光强下实现了 2.627 kg·m⁻²·h⁻¹ 的蒸发速率 。 此外，结合 XPS 分析与密度泛函理论（DFT）计算，研究团队从原子和电子层面揭示了 HEAO 表面如何通过几何效应和电子转移削弱水分子 O-H 键的机制 。在实际应用测试中，CCH 展现出卓越的耐盐性，不仅能处理高盐度卤水，还能在 pH=3-11 的宽范围内保持稳定，产水水质符合 WHO 饮用水标准 。该工作不仅为高效太阳能海水淡化提供了先进的材料解决方案，也为设计全新的界面蒸发器提供了新的理论视角 。

贰.

研究背景

全球水危机与绿色解决方案随着全球淡水危机的日益严峻，太阳能界面蒸发（SIE）技术凭借其绿色、可持续的特性，被视为海水淡化领域极具前景的解决方案。尽管现有的光热材料在光吸收和热产生方面取得了显著效果，但SIE系统的整体蒸发效率仍受到一个根本性约束——水的高汽化焓 。这意味着，要让液态水转变为水蒸气，需要克服巨大的能量势垒。 目前广泛使用的二维（2D）蒸发器（如碳布、薄膜等）因其制备简单、可扩展性强而备受关注。然而，这些材料通常由化学惰性物质组成，缺乏能够与水分子深度相互作用的功能基团。它们本质上扮演的是“被动”光热转换层的角色——只能“加热”，却无法从分子层面“活化”水分子以降低其蒸发能垒。为了突破这一热力学限制，赋予简单的2D平台以“主动催化”水蒸发的功能成为关键。高熵合金氧化物（HEAO）因其广谱吸收、可调电子结构和多元素协同特性进入了研究人员的视野。本研究正是基于此，提出了一种转换策略。利用 HEAO 表面的多价金属位点和氧空位，构建“亲水-电子”双重性质表面，主动重构界面水分子的氢键网络，从而大幅降低蒸发焓，实现高效的太阳能海水淡化。

叁.

研究数据

图1（a） CCH的制备;（b）CCH蒸发示意图

图2（a） CC、CCH的XRD光谱;（b-c）CCH的SEM图像;（d） CCH的透射TEM图像;（e-f）CCH的能量色散光谱仪（EDS）分析

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

图4（a） CCH的接触角测量;（b）CC和CCH的紫外对近红外吸收光谱;（c）通过红外热成像捕捉的CCH表面温度;（d）CCH表层和散装水的温度;（e）蒸发速率和效率;（f） 蒸发焓

图5（a）HEAO和HEAO-ov的理论模型图（俯视图）;（b）Fe3O4-ov、HEAO 和 HEAO-ov的吸附能;（c） 不同模型的晶体轨道的COHP分析;（d-f）DFT计算确定的氢键长度和电荷密度Fe3O4-ov、HEAO和HEAO-ov

图6（a）不同浓度盐溶液中的质量损失;（b） 蒸发速率 （c） CCH的循环实验;（d） 海水淡化前后总TDS值。（e）淡化前后离子浓度变化;（f） CCH与其他太阳能蒸发器的比较;（g） 户外蒸发装置示意图（厘米）;（h） 不同时间段内的体积淡水产量;（i）测量电极间电阻以评估水质纯度

肆.

作者简介

第一作者：

李金池，成都理工大学材料与化学化工学院2023级硕士研究生，累计发表SCI论文3篇。邮箱：lijinchi2002@163.com

徐爱浩，广西大学工学博士，现任广西医学科学院&广西壮族自治区人民医院研究人员。主要研究领域为小分子（CO₂和O₂等）催化转化、纳米酶催化治疗与生物医用材料研发，以第一作者（含共同）身份在Applied Catalysis B: Environment and Energy等期刊发表多篇SCI论文

通讯作者：

李小可，成都理工大学副教授，硕士生导师，西安交通大学博士后，主要从事太阳能光热转换与太阳能热利用技术相关领域的研究，截止目前共发表SCI论文及中文核心期刊论文70余篇，总他引次数超过2000次，H指数为15，并有多篇论文入选ESI热点论文和高被引论文，连续四年入选全球前2%顶尖科学家(2022，2023，2024，2025)。邮箱：xiaokeli319@126.com

王红兵，成都理工大学研究员，硕士生导师。2024年于中国工程物理研究院材料研究所获工学博士学位，同年入选成都理工大学“珠峰引才计划”C1类学科专业后备人才。主要从事能源小分子催化转化、表界面化学及多相催化领域的研究工作，聚焦于能源小分子的高效催化转化机制及表界面动态过程。在Journal of Catalysis，Applied Surface Science，ACS Applied Materials & Interfaces，Energy & Fuels，Chemical Engineering Journal，Journal of Materiomics等期刊发表SCI论文13余篇。

黄奔，博士生导师，首届广西高校引进海外高层次人才“百人计划”，广西高层次人才E级。干细胞与细胞治疗创新团队负责人，主持9项省和国家级的课题，包括国家自然基金四项，广西科技基地和人才专项一项，广西“百人计划”项目一项，广西留学回国重点项目一项，广西重点研发计划一项，广西自然基金重点项目一项。近年来发表SCI收录学术论文20余篇，包括Biomaterials, Stem Cells and Development, Biology of Reproduction等。申报发明专利14项，其中国际PCT专利两项，已获授权4项。参与编写专著一部。获得广西自然科学一等奖一项。

伍.

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