香港城大吕坚院士&李扬扬教授Advanced Composites and Hybrid Materials：具有优异水蒸发性能以及生物相容性的导电高熵金属氧化物陶瓷复合材料

香港城市大学吕坚院士、李扬扬教授团队最近在Springer Nature旗下复合材料旗舰期刊Advanced Composites and Hybrid Materials上发表题目为：”Electroconductive high‑entropy metallic oxide ceramic composites with outstanding water evaporation ability and biocompatibility”的文章。该工作制备出了具有优异水蒸发性能以及生物相容性的导电高熵金属氧化物陶瓷复合材料。该陶瓷复合材料可广泛应用于电子、能源、电火花加工、太阳能光热工程以及生物医学器件领域。论文的第一作者为香港城市大学王冲副研究员，通讯作者为吕坚院士，李扬扬教授。

• 本文亮点

1. 首次采用多种价格低廉的有机金属偶联剂通过“一锅法”制备出机械性能以及导电性能优异的高熵金属氧化物陶瓷复合材料。
2. 本方法制备出的陶瓷复合材料克服了传统的纳米碳材料导电复合陶瓷功能添加相分布不均的问题，并且大大降低了制备成本。
3. 该陶瓷复合材料还具有优异的光热性能，在进一步与聚氨酯材料复合之后可制备出效果显著的太阳能水蒸发器，蒸发效率最高可达87%。
4. 此陶瓷复合材料的生物相容性也十分优异，在细胞毒理性的测试中细胞存活率高达97%。

• 研究背景

导电陶瓷在电子、能源、电火花加工以及生物工程领域均有着广泛的应用。传统导电陶瓷通常会采用向硬质陶瓷相中添加纳米碳材料导电相的方式来提升陶瓷的导电性。然而由于这些纳米碳材料（如石墨烯、碳纳米管等）的尺寸效应，它们在与硬质陶瓷相复合过程中很容易团聚，最终导致分布不均。与此同时，制备高质量的纳米碳材料成本高昂，工序繁琐，进一步限制了他们在导电陶瓷领域的应用。近年来，高熵陶瓷以其卓越的性能，逐渐成为了研究热点。然而大多数高熵陶瓷均采用无机金属化合物进行制备，采用有机金属偶联剂作为前驱体进行高熵陶瓷的制备鲜有报道。

• 内容简介

本工作通过将钛、镁、铝、锆有机金属偶联剂水解偶联并进行高温阻氧烧结的方式制备出一种具有优异机械性能、光热性能以及生物相容性的导电高熵金属氧化物陶瓷复合材料。高温阻氧烧结处理使该陶瓷复合材料内部产生大量的氧空位，进而使得陶瓷复合材料的禁带宽度实现大幅度降低。与此同时，该热处理方式也使得陶瓷复合材料内部的碳成分实现原位的石墨化，石墨成分的分布连续且均匀。最终在这两种因素的共同加持下，制备出的陶瓷复合材料实现了从绝缘体(5.11x10¹⁰ Ω·cm)到导体(5.59 Ω·cm)的大幅度跨越。此外，由于陶瓷复合材料内部产生了氧空位，这也使得其在光照条件下产生的光生激子更倾向于发生非辐射性湮灭，进而快速释放热量。基于这一现象，该陶瓷复合材料被进一步与聚氨酯进行复合，通过冷冻干燥的处理方式制备出了分层多孔的水蒸发器。这种内部相联的分层多孔结构可以极大地促进水蒸发过程中水分的补充，提高水分在蒸发器中的蒸发速率，最终测得最高蒸发效率可达87%。在生物相容性的测试中该陶瓷复合材料表现也同样优秀，细胞毒理性测试显示，与该陶瓷复合材料共同培养的细胞其存活率可达97%以上。

• 图文解析

图1 高熵金属氧化物陶瓷复合材料的制备流程示意图。

图2 （a）不同烧结温度处理下陶瓷复合材料氧元素与碳元素含量的变化情况（b）不同烧结温度处理下陶瓷复合材料的O1S XPS谱图（c）不同烧结温度处理下陶瓷复合材料的EPR谱图（d）不同烧结温度处理下陶瓷复合材料的带隙变化。

图3  (a) 不同烧结温度处理下陶瓷复合材料的XRD谱图（b）不同烧结温度处理下陶瓷复合材料的Raman谱图。

图 4 (a) 未经烧结处理的陶瓷复合材料前驱体HRTEM以及SAED图像 (b) 高温烧结后陶瓷复合材料的HRTEM以及SAED图像。

图 5 高温烧结后陶瓷复合材料的STEM图像以及EDX元素分布图像。

图 6 不同烧结温度处理下陶瓷复合材料的电阻以及密度的变化情况。

图 7 (a)不同烧结温度处理下陶瓷复合材料的微米压痕曲线 (b)不同烧结温度处理下陶瓷复合材料的杨氏模量与硬度的变化情况。

图 8 高温烧结处理的陶瓷复合材料与聚氨酯进一步复合之后制备的水蒸发器SEM图像以及EDX元素分布图像。

图 9 不同烧结温度处理下陶瓷复合材料与聚氨酯进一步复合之后制备的水蒸发器在一个太阳光照射下5分钟的的升温变化情况。

图 10不同烧结温度处理下陶瓷复合材料与聚氨酯进一步复合之后制备的水蒸发器在一个太阳光照射下的水蒸发曲线。

图 11 (a) 不同烧结温度处理下陶瓷复合材料与聚氨酯进一步复合之后制备的水蒸发器在一个太阳光照射下的蒸发速率与蒸发能。(b) 不同烧结温度处理下陶瓷复合材料与聚氨酯进一步复合之后制备的水蒸发器在一个太阳光照射下的蒸发效率。

图12 不同烧结温度处理下陶瓷复合材料与MC3T3-E1细胞共同培养的组织学染色图片（a）无陶瓷复合材料对照组 (b) HEMOCC-LT陶瓷材料实验组 （c）HEMOCC-HT陶瓷材料实验组 (d) MTT细胞毒理学测试。

原文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-024-00916-4

• 主要作者介绍

吕坚院士（通讯作者）：吕坚，法国国家技术科学院（NATF）院士、香港工程科学院院士、香港高等研究院高级研究员、香港城市大学工学院院长、香港城市大学机械工程系讲座教授、国家贵金属材料工程研究中心香港分社理事、先进结构材料中心主任。研究方向涉及先进结构与功能纳米材料的制备和力学性能，机械系统仿真模拟设计。曾任法国机械工业技术中 (CETIM)高级研究工程师和实验室负责人、法国特鲁瓦技术大学机械系统工程系系主任、法国教育部与法国国家科学中心（CNRS）机械系统与并行工程实验室主任、香港理工大学机械工程系系主任、讲座教授、兼任香港理工大学工程学院副院长、香港城市大学副校长。曾任法国、欧盟和中国的多项研究项目的负责人，并与空客、EADS、宝钢、安赛乐米塔尔、AREVA、ALSTOM、EDF、ABB、雷诺、标致等世界五百强公司有合作研究关系或为它们进行科学咨询工作。曾任欧盟第五框架科研计划评审专家；欧盟第六框架科研计划咨询专家；中国国家自然科学基金委海外评审专家，中科院首批海外评审专家，中科院沈阳金属所客座首席研究员，东北大学、北京科技大学、南昌大学名誉教授，西安交通大学、西北工业大学、上海交通大学和西南交通大学顾问教授，上海大学、中山大学、中南大学等大学客座教授，中科院知名学者团队成员，2011年被法国国家技术科学院（NATF）选为院士，是该院近300位院士中首位华裔院士。2006年与2017年分别获法国总统任命获法国国家荣誉骑士勋章及法国国家荣誉军团骑士勋章，2018年获中国工程院光华工程科技奖。已取得34项欧、美、中专利授权，在本领域顶尖杂志Nature（封面文章）、Science、Nature Materials、Science Advances、Nature Communications、PRL、Materials Today、Advanced Materials、Advanced Science、Angew. Chem. 等专业杂志上发表论文500余篇，引用4万4千余次（Google Scholar）。

个人主页：

https://www.cityu.edu.hk/mne/people/academic-staff/prof-lu-jian

李扬扬教授（通讯作者）：北京大学化学系获学士学位，新加坡国立大学获硕士学位，美国加州大学圣地牙哥分校获博士学位。研究方向为金属基及陶瓷基无定形材料，着重表面等离激元及表面增强拉曼光谱（SERS）、电化学材料及生物矿化机理的研究。以第一或通讯作者身份在Science， Science Advances， Nature Communications， Advanced Materials，Advanced Functional Materials等学术期刊上发表多篇论文。

王冲博士（第一作者）：博士毕业于香港大学，现任香港城市大学物质科学研究院副研究员，中国化学会会员，香港材料研究学会会员。主要从事高分子材料、陶瓷复合材料以及生物材料方面的研究，发表SCI论文十余篇。