通讯作者安兴业天津科技大学、马子豪韩颖大连工业大学1. 背景工业化和城市化带来的难降解有机污染物持续进入水环境传统处理工艺对痕量高毒性污染物的去除效率有限。TiO2 光催化因稳定、低毒和氧化能力强而受到关注但其宽带隙导致可见光响应弱光生电子-空穴复合快限制了太阳光利用效率。高熵合金具备多元素协同、晶格畸变和电子结构可调等特征若与 TiO2 和多孔碳载体耦合有望同时改善光吸收、载流子分离、污染物吸附和光热转换为复杂水体净化提供多功能材料平台。2. 论文概要该研究以海藻酸钠/纤维素衍生碳材料为载体先引入钛酸四丁酯和 Fe、Co、Ni、Mn、Zn 多金属盐再在氮气氛围下进行 1300 °C、1 s 的焦耳热/碳热冲击处理获得高熵合金增强 TiO2-碳复合材料 HESC。该材料中 Fe、Co、Ni、Mn、Zn 与 Ti 组分均匀分布高熵合金颗粒与 TiO2/多孔碳协同拓宽光谱响应、降低电荷转移阻力并延长载流子寿命。性能上HESC 在可见光下 60 min 内对 BPA、RhB 和四环素类污染物的去除率分别达到约 96.2%-96.8%、97.2% 和 99%BPA 降解速率约为 TiSC 的 3.38 倍同时具备良好光热转换能力海水蒸发速率约 1.26 kg m-2 h-1体现出光催化降解与光热蒸发的双功能水净化潜力。3. 图文解读图1 | HESC 的制备流程示意生物质凝胶碳化、TiO2 引入、多金属盐负载与焦耳热冲击图1展示了材料构筑逻辑海藻酸钠/纤维素经 Ca2 交联、冷冻干燥和碳化形成多孔碳骨架随后引入钛源和 Fe/Co/Ni/Mn/Zn 多金属盐并通过导电石墨舟中的瞬态焦耳热处理快速生成高熵合金负载 TiO2/碳复合材料。该路线的关键在于 1 s 热冲击带来的快速升温-冷却过程可抑制元素偏析和颗粒长大。图2 | MESC/HESC 的 SEM 形貌与 HESC 的 EDS 元素映射图2证明焦耳热处理后 HESC 表面形成大量球形合金颗粒粒径约 150-300 nm明显小于 MESC 中 500-900 nm 的球形颗粒说明多元素高熵效应与热冲击过程共同限制了长程扩散和颗粒粗化。EDS 映射显示 C、Ti、O 以及 Fe、Co、Ni、Mn、Zn 在材料中均匀分布表明多金属组分成功负载并具有较好的组成均一性。图3 | XRD 与 XPS 表征揭示 HESC 的合金晶相和多元素价态图3从结构和价态上确认 HESC 的形成XRD 在 43.6°、51.2° 和 75.2° 附近出现对应高熵合金 (111)、(200)、(220) 晶面的衍射峰说明多金属元素经热冲击形成合金相。XPS 显示 Ti 主要以 TiO2 中 Ti4 形式存在Fe、Co、Ni、Zn 同时存在金属态和氧化态Mn 主要表现为多价氧化态不同元素间电子密度变化反映出高熵合金内部的电子重分布。图4 | 样品升温曲线、HESC 海水蒸发质量变化、红外热像和 3D 热图图4显示 HESC 具有最强的光热响应光照 5 s 表面温度升至约 36.6 °C10 s 达到约 44.4 °C1 min 后最高表面温度约 72.6 °C。红外热像和 3D 热图进一步表明热量集中于材料表面并随光照迅速增强为界面蒸发提供热源海水蒸发质量随时间近线性增加说明材料具备持续光热转换能力。图5 | 湿态 HESC 表面升温、蒸发速率/效率、离子浓度变化和水体温度模拟图5进一步验证海水蒸发应用湿态 HESC 表面温度在 60 min 内持续升高蒸发体系表现出稳定的光热驱动水分蒸发蒸发后 Na、Ca2、K、Mg2 浓度显著低于原海水并低于 WHO 参考线说明该材料不仅能提供热蒸发界面也具备实际脱盐净化效果。温度场模拟显示热量先集中在上层界面再逐渐传递至水体内部。图6 | PL、瞬态荧光、EIS、光电流、DRS、带隙和接触角表征图6解释了 HESC 光催化增强的物理基础HESC 的 PL 强度更低说明光生载流子复合被抑制光电流响应更强、EIS 阻抗更低表明电荷分离和迁移更高效。其平均载流子寿命由 MESC 的 0.39 μs 提高至 0.94 μs带隙由 3.96 eV 缩小至 3.85 eV200-800 nm 光吸收率可达约 95%接触角测试显示水滴在 100 ms 内快速浸润说明 HESC 兼具光吸收、载流子传输和水接触优势。图7 | RhB、BPA 和 TCHC 的光催化降解曲线、自由基捕获及 RhB 降解路径图7展示了 HESC 的污染物去除能力RhB 在 30 min 内降解超过 90%60 min 接近完全去除速率常数约 0.078 min-1约为 TiSC 的 2.16 倍BPA 在 30 min 即达到约 97.1% 去除速率约为 TiSC 的 3.38 倍TCHC 在 60 min 内去除率达到 99%。自由基捕获实验表明 IPA 对降解抑制最明显说明 ·OH 是主要活性物种同时 BQ 和 KI 也有影响表明多活性物种协同参与降解过程。图8 | RhB、BPA 和 TCHC 及其降解中间产物对大型溞的急性毒性预测图8从生态风险角度验证处理效果RhB 的部分中间产物 A3、A4、A6 被评估为无害A1 和 A2 毒性也明显低于母体分子BPA 与 TCHC 的多数降解中间产物毒性同样显著降低。这说明 HESC 光催化过程不仅降低污染物浓度还能推动有机物向低毒中间体和小分子矿化产物转化具备更接近实际水处理需求的安全性意义。4. 总结展望这篇工作把 1 s 焦耳热/碳热冲击制备、高熵合金电子调控、TiO2 光催化和多孔碳光热蒸发结合到同一材料体系中形成了面向复杂水净化的双功能 HESC 平台。其核心价值在于高熵合金颗粒提供多元素协同活性位并调控能带多孔碳增强光捕获和界面蒸发TiO2 贡献亲水性和氧化活性最终实现有机污染物高效降解、毒性降低和海水蒸发脱盐。后续若能进一步明确高熵合金颗粒的晶体结构、长期抗盐结晶/抗污染稳定性、真实废水中多组分竞争降解机制以及放大制备一致性该类材料有望拓展为太阳能驱动水处理的一体化功能材料。参考论文Chen Zhu, Xinyu Xiao, Yiwen Zhang, Xing Wang, Zihao Ma, Ying Han, Xingye An. A multifunctional nano high-entropy alloy TiO2/Carbon material for efficient solar-driven photocatalytic degradation and photothermal seawater evaporation. Optical Materials, Volume 178, 2026, 118189, ISSN 0925-3467. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2026.118189.
通讯作者安兴业天津科技大学、马子豪韩颖大连工业大学1. 背景工业化和城市化带来的难降解有机污染物持续进入水环境传统处理工艺对痕量高毒性污染物的去除效率有限。TiO2 光催化因稳定、低毒和氧化能力强而受到关注但其宽带隙导致可见光响应弱光生电子-空穴复合快限制了太阳光利用效率。高熵合金具备多元素协同、晶格畸变和电子结构可调等特征若与 TiO2 和多孔碳载体耦合有望同时改善光吸收、载流子分离、污染物吸附和光热转换为复杂水体净化提供多功能材料平台。2. 论文概要该研究以海藻酸钠/纤维素衍生碳材料为载体先引入钛酸四丁酯和 Fe、Co、Ni、Mn、Zn 多金属盐再在氮气氛围下进行 1300 °C、1 s 的焦耳热/碳热冲击处理获得高熵合金增强 TiO2-碳复合材料 HESC。该材料中 Fe、Co、Ni、Mn、Zn 与 Ti 组分均匀分布高熵合金颗粒与 TiO2/多孔碳协同拓宽光谱响应、降低电荷转移阻力并延长载流子寿命。性能上HESC 在可见光下 60 min 内对 BPA、RhB 和四环素类污染物的去除率分别达到约 96.2%-96.8%、97.2% 和 99%BPA 降解速率约为 TiSC 的 3.38 倍同时具备良好光热转换能力海水蒸发速率约 1.26 kg m-2 h-1体现出光催化降解与光热蒸发的双功能水净化潜力。3. 图文解读图1 | HESC 的制备流程示意生物质凝胶碳化、TiO2 引入、多金属盐负载与焦耳热冲击图1展示了材料构筑逻辑海藻酸钠/纤维素经 Ca2 交联、冷冻干燥和碳化形成多孔碳骨架随后引入钛源和 Fe/Co/Ni/Mn/Zn 多金属盐并通过导电石墨舟中的瞬态焦耳热处理快速生成高熵合金负载 TiO2/碳复合材料。该路线的关键在于 1 s 热冲击带来的快速升温-冷却过程可抑制元素偏析和颗粒长大。图2 | MESC/HESC 的 SEM 形貌与 HESC 的 EDS 元素映射图2证明焦耳热处理后 HESC 表面形成大量球形合金颗粒粒径约 150-300 nm明显小于 MESC 中 500-900 nm 的球形颗粒说明多元素高熵效应与热冲击过程共同限制了长程扩散和颗粒粗化。EDS 映射显示 C、Ti、O 以及 Fe、Co、Ni、Mn、Zn 在材料中均匀分布表明多金属组分成功负载并具有较好的组成均一性。图3 | XRD 与 XPS 表征揭示 HESC 的合金晶相和多元素价态图3从结构和价态上确认 HESC 的形成XRD 在 43.6°、51.2° 和 75.2° 附近出现对应高熵合金 (111)、(200)、(220) 晶面的衍射峰说明多金属元素经热冲击形成合金相。XPS 显示 Ti 主要以 TiO2 中 Ti4 形式存在Fe、Co、Ni、Zn 同时存在金属态和氧化态Mn 主要表现为多价氧化态不同元素间电子密度变化反映出高熵合金内部的电子重分布。图4 | 样品升温曲线、HESC 海水蒸发质量变化、红外热像和 3D 热图图4显示 HESC 具有最强的光热响应光照 5 s 表面温度升至约 36.6 °C10 s 达到约 44.4 °C1 min 后最高表面温度约 72.6 °C。红外热像和 3D 热图进一步表明热量集中于材料表面并随光照迅速增强为界面蒸发提供热源海水蒸发质量随时间近线性增加说明材料具备持续光热转换能力。图5 | 湿态 HESC 表面升温、蒸发速率/效率、离子浓度变化和水体温度模拟图5进一步验证海水蒸发应用湿态 HESC 表面温度在 60 min 内持续升高蒸发体系表现出稳定的光热驱动水分蒸发蒸发后 Na、Ca2、K、Mg2 浓度显著低于原海水并低于 WHO 参考线说明该材料不仅能提供热蒸发界面也具备实际脱盐净化效果。温度场模拟显示热量先集中在上层界面再逐渐传递至水体内部。图6 | PL、瞬态荧光、EIS、光电流、DRS、带隙和接触角表征图6解释了 HESC 光催化增强的物理基础HESC 的 PL 强度更低说明光生载流子复合被抑制光电流响应更强、EIS 阻抗更低表明电荷分离和迁移更高效。其平均载流子寿命由 MESC 的 0.39 μs 提高至 0.94 μs带隙由 3.96 eV 缩小至 3.85 eV200-800 nm 光吸收率可达约 95%接触角测试显示水滴在 100 ms 内快速浸润说明 HESC 兼具光吸收、载流子传输和水接触优势。图7 | RhB、BPA 和 TCHC 的光催化降解曲线、自由基捕获及 RhB 降解路径图7展示了 HESC 的污染物去除能力RhB 在 30 min 内降解超过 90%60 min 接近完全去除速率常数约 0.078 min-1约为 TiSC 的 2.16 倍BPA 在 30 min 即达到约 97.1% 去除速率约为 TiSC 的 3.38 倍TCHC 在 60 min 内去除率达到 99%。自由基捕获实验表明 IPA 对降解抑制最明显说明 ·OH 是主要活性物种同时 BQ 和 KI 也有影响表明多活性物种协同参与降解过程。图8 | RhB、BPA 和 TCHC 及其降解中间产物对大型溞的急性毒性预测图8从生态风险角度验证处理效果RhB 的部分中间产物 A3、A4、A6 被评估为无害A1 和 A2 毒性也明显低于母体分子BPA 与 TCHC 的多数降解中间产物毒性同样显著降低。这说明 HESC 光催化过程不仅降低污染物浓度还能推动有机物向低毒中间体和小分子矿化产物转化具备更接近实际水处理需求的安全性意义。4. 总结展望这篇工作把 1 s 焦耳热/碳热冲击制备、高熵合金电子调控、TiO2 光催化和多孔碳光热蒸发结合到同一材料体系中形成了面向复杂水净化的双功能 HESC 平台。其核心价值在于高熵合金颗粒提供多元素协同活性位并调控能带多孔碳增强光捕获和界面蒸发TiO2 贡献亲水性和氧化活性最终实现有机污染物高效降解、毒性降低和海水蒸发脱盐。后续若能进一步明确高熵合金颗粒的晶体结构、长期抗盐结晶/抗污染稳定性、真实废水中多组分竞争降解机制以及放大制备一致性该类材料有望拓展为太阳能驱动水处理的一体化功能材料。参考论文Chen Zhu, Xinyu Xiao, Yiwen Zhang, Xing Wang, Zihao Ma, Ying Han, Xingye An. A multifunctional nano high-entropy alloy TiO2/Carbon material for efficient solar-driven photocatalytic degradation and photothermal seawater evaporation. Optical Materials, Volume 178, 2026, 118189, ISSN 0925-3467. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2026.118189.
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