英文原题：Compositional Complexity in High-Entropy Oxides OptimizesColloidal Stability and Pool Boiling Heat Transfer

通讯作者：Anju Gupta，美国托莱多大学机械、工业与制造工程系

作者：Keval Bharatbhai Suthar, Manjula M. Kandage, Md Moynul Hasan, Saketh Merugu, Michal Marszewski, Anju Gupta

研究背景：

高熵氧化物（high-entropy oxides, HEOs）通过在等价晶格位点上引入五种或更多近等摩尔阳离子，利用较高的构型熵稳定多组元固溶体。与传统单一或二元氧化物不同，高熵体系不仅在体相中具有“原子尺度无序、长程晶体有序”的特征，其表面还同时暴露多种金属位点，因此可能形成更复杂的表面电荷、金属-水配位和界面水结构。然而，HEO的研究长期集中在储能和催化，其胶体稳定性以及多元素表面化学如何影响真实动态工况下的功能表现仍缺乏系统认识。研究团队选择池沸腾作为一种严苛的“界面压力测试”：加热表面附近温度梯度可超过106 K/m，气泡成核、对流混合、热泳迁移与液-汽相变同时发生，对颗粒分散、润湿、再润湿和成核位点都提出要求。更重要的是，本工作所研究HEO的估算热导率仅为1.07–3.74 W/(m·K)，并不高于传统金属氧化物添加剂，因此若传热显著增强，其主要来源更可能是胶体与界面效应，而非简单的体相热导率提升。

图1.代表性高熵氧化物的多尺度表征。自上而下分别展示0.05 wt%分散液的光学显微图像、FESEM颗粒形貌与理想化晶胞结构；a–d对应Al-HEO（尖晶石）、La-HEO（钙钛矿）、Y-HEO（钙钛矿）和Mn-HEO（岩盐）。

内容介绍：

近日，美国托莱多大学Anju Gupta教授团队在Precision Chemistry发表了利用高熵氧化物多元素成分设计协同提升胶体稳定性与池沸腾传热性能的研究。研究结果表明，不同HEO组成对应不同的分散稳定性和沸腾界面行为，并提出构型熵及多元素表面化学可能共同参与调控，从而为理解成分复杂性与胶体—界面—传热性能之间的关联提供了新的思路。

图2.四种代表性HEO基于颗粒数统计的等效圆直径（ECD）粒径分布。Al-HEO、La-HEO和Y-HEO的中位粒径约为2.6–3.0 μm，Mn-HEO中位粒径约8.1 μm，并具有延伸至约80 μm的宽分布。

粒径分析显示，Al-HEO、La-HEO和Y-HEO的中位等效圆直径（ECD）较为接近，分别约为2.8、3.0和2.6 μm。其中，Al-HEO和Y-HEO呈现较窄的单峰粒径分布，span约为1.4–1.8；La-HEO的粒径分布则明显更宽，span约为3.3，并伴有向较大粒径方向延伸的颗粒。相比之下，Mn-HEO表现出显著更大的颗粒尺度，其中位ECD约为8.1 μm，粒径分布尾部甚至延伸至约80 μm。上述结果表明，不同元素组成和晶体结构会带来明显不同的颗粒团聚与粒径分布特征，并为后续理解HEO颗粒的沉降行为、热驱动输运及沸腾过程中的表面沉积差异提供了重要的粒径基础。

图3. HEO分散稳定性与界面稳定机制示意。a）0 h与48 h的0.05 wt%分散液照片；b）基于DLVO理论、Gouy-Chapman-Stern双电层及界面水分层的示意模型。

48 h室温稳定性测试显示，Al-HEO、La-HEO和Y-HEO仅出现轻微沉降，而粒径较大的Mn-HEO沉降更为明显，但四种体系整体仍保持了满足后续热测试要求的分散稳定性。以Y-HEO为例，其分散液pH约为6.7，低于估算的等电点（约8.0）；据此，研究团队推测颗粒表面可能带有适度正电荷并形成电双层，从而产生一定的静电排斥作用。除经典DLVO作用外，研究团队进一步提出，氧化物表面可能形成结构化界面水层，其相关短程水合力可能有助于抑制颗粒聚集；低离子强度去离子水对应的较长德拜长度以及布朗运动等因素也可能共同促进HEO分散体系的稳定。

图4.四种HEO分散液与去离子水基线的池沸腾性能。a）热流密度-壁面过热度曲线；b）传热系数（HTC）-热流密度曲线。

池沸腾测试给出了本文最关键的定量证据。去离子水在水平铜表面的临界热流密度（CHF）为1240 ± 62 kW/m²，对应壁面过热度约24 °C；相比之下，在0.05 wt%分散浓度下，Y-HEO在约16 °C的壁面过热度下即可达到2017 ± 55 kW/m²，CHF提高63%，同时壁面过热度降低约8 °C。Y-HEO的最大传热系数（HTC）达到123 ± 3 kW/(m²·°C)，相较去离子水的52 ± 2 kW/(m²·°C)提高约135%。值得注意的是，这种传热优势并非仅出现在CHF附近，而是在整个沸腾测试区间内持续存在，其余代表性HEO体系同样表现出明显优于去离子水基线的传热性能。每种工质均进行3次独立重复实验（n=3），误差棒表示±1个标准差。总体来看，HEO同时实现较低的壁面过热度以及较高的CHF和HTC。

图5.沸腾后HEO修饰铜表面的表征。a–d）Al-HEO、La-HEO、Y-HEO和Mn-HEO沉积层FESEM；e）表面粗糙度Ra与接触角滞后(CAH)；f）Y-HEO沉积层的元素面分布。

表面表征进一步为Y-HEO的池沸腾性能提供了界面层面的解释。抛光铜表面的算术平均粗糙度Ra仅为0.23 ± 0.06 μm，而经HEO沸腾沉积后，Al-HEO、La-HEO、Mn-HEO和Y-HEO分别增至0.33 ± 0.07、0.40 ± 0.10、0.57 ± 0.06和0.63 ± 0.08 μm，其中Y-HEO相较基线提高约174%，并形成较为致密、均匀的表面纹理，为气泡成核提供了丰富的潜在空腔。与此同时，Y-HEO的接触角滞后仅为12 ± 7°，明显低于Al-HEO的24 ± 6°、La-HEO的21 ± 6°和Mn-HEO的27 ± 4°。较高的表面粗糙度有利于增加和稳定成核位点，而较低的接触角滞后意味着较小的接触线运动阻力，理论上有利于气泡脱离后的液体回补和成核位点再活化。研究团队认为，这种“成核位点供给—再润湿”之间的平衡可能是Y-HEO同时获得高CHF和高HTC的重要因素。EDS面分布显示，Y、Co、Cr、Fe、Mn和Ni在沉积层中均可检测到且分布较均匀，支持Y-HEO的多元素特征在沸腾沉积后仍得到保留。

总结/展望：

这项工作将高熵材料研究由体相的相稳定性拓展至“胶体稳定—界面调控—宏观传热”的结构—性能关联。Y-HEO在0.05 wt%分散浓度下实现CHF提升63%、最大HTC相较去离子水提高135%，并形成高粗糙度、低接触角滞后的沉积表面。研究团队提出，高构型熵、多元素表面化学及热泳输运可能共同参与上述过程；相关机制仍主要依据后处理表征和宏观沸腾数据推断，未来需通过原位表征、高速显微和组成调控进一步验证。

Cite this: Suthar, K. B.; Kandage, M. M.; Hasan, M. M.; Merugu, S.; Marszewski, M.; Gupta, A. Compositional Complexity in High-Entropy Oxides Optimizes Colloidal Stability and Pool Boiling Heat Transfer. Precision Chemistry2026. https://doi.org/10.1021/prechem.5c00360