據(ju)中(zhong)國科學院蘭(lan)州化(hua)學物理研(yan)究所(簡稱:蘭(lan)州化(hua)物所)消息,高熵材料(liao)的(de)(de)多主(zhu)元設計為功(gong)能材料(liao)的(de)(de)研(yan)究與應(ying)用提供了一個充滿潛力的(de)(de)平臺。其豐富的(de)(de)結構特征(zheng)和廣闊的(de)(de)成分空間,允許(xu)通過精(jing)確(que)選擇元素組合來(lai)調控材料(liao)的(de)(de)電子(zi)結構,從而調整費米能級附(fu)近的(de)(de)電子(zi)態密(mi)度,促(cu)進d-d帶間躍遷,對于開發高效光熱(re)轉換(huan)材料(liao)具(ju)有重要意義。
蘭州化(hua)物(wu)所資源化(hua)學與能源材(cai)料研究中心高祥虎研究員(yuan)團(tuan)隊多年來致力于高熵(shang)氮化(hua)物(wu)薄(bo)膜(mo)的設計制(zhi)備(bei)和光(guang)熱(re)轉換性能研究。研究人(ren)員(yuan)通(tong)過(guo)反應(ying)磁控濺射法制(zhi)備(bei)出高熵(shang)氮化(hua)物(wu)基光(guang)譜選(xuan)(xuan)擇(ze)性吸收涂(tu)(tu)層(ceng),賦予了織物(wu)優異的光(guang)熱(re)轉化(hua)能力,且具有良好的可穿戴性,有助于實現人(ren)體熱(re)管理,降(jiang)低了因取(qu)暖產生的能源消耗,相(xiang)關成果發表(biao)在Advanced Science(2023,10,2204817)上(shang)。然而,高熵(shang)光(guang)譜選(xuan)(xuan)擇(ze)性吸收涂(tu)(tu)層(ceng)的光(guang)熱(re)機制(zhi)尚不(bu)明(ming)確,且其高溫熱(re)穩定(ding)性仍不(bu)足。
圖1.槽式聚光發電的(de)設計理念和高(gao)熵工程(cheng)的(de)理論基礎
基于高(gao)熵氮(dan)化物(wu)光吸(xi)(xi)收材料的(de)(de)前(qian)期研(yan)究(jiu),為滿(man)足聚光太(tai)陽(yang)(yang)能系(xi)統高(gao)溫(750°C)工(gong)況下的(de)(de)應(ying)用(yong)需(xu)求,研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)精(jing)心選擇了(le)(le)構成元素,并系(xi)統性(xing)地研(yan)究(jiu)了(le)(le)高(gao)熵設(she)計(ji)對材料電子結構的(de)(de)影響(xiang)(圖1)。研(yan)究(jiu)結果顯示,高(gao)熵氮(dan)化物(wu)的(de)(de)復雜能帶(dai)結構顯著提高(gao)了(le)(le)費(fei)米能級附近的(de)(de)態密度。同時(shi),平(ping)坦的(de)(de)能帶(dai)結構拓寬了(le)(le)材料的(de)(de)太(tai)陽(yang)(yang)能吸(xi)(xi)收范圍,并增(zeng)強(qiang)了(le)(le)帶(dai)間(jian)躍遷效應(ying),提升(sheng)了(le)(le)材料的(de)(de)太(tai)陽(yang)(yang)能吸(xi)(xi)收性(xing)能。
圖(tu)2.涂(tu)層(ceng)的熱穩定性和光熱轉換效率評估
該(gai)團隊通(tong)過反(fan)應磁控(kong)濺射(she)法制備出(chu)由高(gao)(gao)熵氮(dan)化(hua)(hua)物吸(xi)收(shou)層(ceng)和(he)氮(dan)化(hua)(hua)硅減反(fan)射(she)層(ceng)組成(cheng)的(de)(de)雙(shuang)(shuang)層(ceng)光(guang)(guang)(guang)譜選擇性吸(xi)收(shou)涂層(ceng)。在(zai)太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)(guang)譜波(bo)段(duan)(0.3-2.5μm)表(biao)現(xian)出(chu)92.7%的(de)(de)吸(xi)收(shou)率,紅外(wai)波(bo)段(duan)的(de)(de)熱(re)發(fa)射(she)率僅為(wei)8.4%。在(zai)1 kW·m-2模擬(ni)太(tai)陽(yang)光(guang)(guang)(guang)輻照條件下,涂層(ceng)表(biao)面溫(wen)度在(zai)10分鐘內可(ke)達(da)到83.3°C;在(zai)戶外(wai)應用中,其平衡(heng)溫(wen)度與非選擇性涂層(ceng)的(de)(de)差異高(gao)(gao)達(da)~21°C,展(zhan)現(xian)出(chu)優(you)(you)異的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)熱(re)轉換效率和(he)光(guang)(guang)(guang)譜選擇性。此(ci)外(wai),得益(yi)于高(gao)(gao)熵效應和(he)緩慢擴散效應帶來(lai)的(de)(de)結(jie)構穩定(ding)性,該(gai)涂層(ceng)在(zai)750°C退火后(hou)仍保持了出(chu)色的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)學性能(圖2)。該(gai)涂層(ceng)憑借(jie)其出(chu)色的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)熱(re)轉換能力、優(you)(you)異的(de)(de)熱(re)穩定(ding)性和(he)簡單易于規模化(hua)(hua)生產的(de)(de)雙(shuang)(shuang)層(ceng)結(jie)構,在(zai)提(ti)升(sheng)槽式(shi)聚光(guang)(guang)(guang)發(fa)電系統(tong)效率方面具(ju)有重要意義(yi),并為(wei)能源(yuan)新(xin)質(zhi)生產力發(fa)展(zhan)提(ti)供了技術支撐。相關研究(jiu)(jiu)成(cheng)果發(fa)表(biao)在(zai)Advanced Functional Materials(2024,2411316)上。趙鵬博(bo)士為(wei)論文的(de)(de)第一作者(zhe),高(gao)(gao)祥虎研究(jiu)(jiu)員和(he)何成(cheng)玉博(bo)士后(hou)為(wei)共(gong)同通(tong)訊作者(zhe)。
以上工(gong)作得到(dao)了甘肅(su)省重大科技專(zhuan)項、中(zhong)國(guo)科學院西部之(zhi)光(guang)和(he)蘭州化物所“十四五”規劃(hua)重大突(tu)破等項目支(zhi)持(chi)。