【儀表網 研發快訊】高熵材料的多主元設計為功能材料的研究與應用提供了一個充滿潛力的平臺。其豐富的結構特征和廣闊的成分空間，允許通過精確選擇元素組合來調控材料的電子結構，從而調整費米能級附近的電子態密度，促進d-d帶間躍遷，對于開發高效光熱轉換材料具有重要意義。
中國科學院蘭州化學物理研究所資源化學與能源材料研究中心高祥虎研究員團隊多年來致力于高熵氮化物薄膜的設計制備和光熱轉換性能研究。研究人員通過反應磁控濺射法制備出高熵氮化物基光譜選擇性吸收涂層，賦予了織物優異的光熱轉化能力，且具有良好的可穿戴性，有助于實現人體熱管理，降低了因取暖產生的能源消耗，相關成果發表在Advanced Science (2023，10，2204817)上。然而，高熵光譜選擇性吸收涂層的光熱機制尚不明確，且其高溫熱穩定性仍不足。
圖1. 槽式聚光發電的設計理念和高熵工程的理論基礎
基于高熵氮化物光吸收材料的前期研究，為滿足聚光太陽能系統高溫(750°C)工況下的應用需求，研究人員精心選擇了構成元素，并系統性地研究了高熵設計對材料電子結構的影響(圖1)。研究結果顯示，高熵氮化物的復雜能帶結構顯著提高了費米能級附近的態密度。同時，平坦的能帶結構拓寬了材料的太陽能吸收范圍，并增強了帶間躍遷效應，提升了材料的太陽能吸收性能。
圖2. 涂層的熱穩定性和光熱轉換效率評估
該團隊通過反應磁控濺射法制備出由高熵氮化物吸收層和氮化硅減反射層組成的雙層光譜選擇性吸收涂層。在太陽光譜波段(0.3-2.5 μm)表現出92.7%的吸收率，紅外波段的熱發射率僅為8.4%。在1 kW·m-2模擬太陽光輻照條件下，涂層表面溫度在10分鐘內可達到83.3°C；在戶外應用中，其平衡溫度與非選擇性涂層的差異高達～21°C，展現出優異的光熱轉換效率和光譜選擇性。此外，得益于高熵效應和緩慢擴散效應帶來的結構穩定性，該涂層在750°C退火后仍保持了出色的光學性能(圖2)。該涂層憑借其出色的光熱轉換能力、優異的熱穩定性和簡單易于規模化生產的雙層結構，在提升槽式聚光發電系統效率方面具有重要意義，并為能源新質生產力發展提供了技術支撐。相關研究成果發表在Advanced Functional Materials (2024，2411316)上。趙鵬博士為論文的第一作者，高祥虎研究員和何成玉博士后為共同通訊作者。
以上工作得到了甘肅省重大科技專項、中國科學院西部之光和蘭州化物所“十四五”規劃重大突破等項目支持。
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