科研進展
蘭州化物所高熵紅外輻射節(jié)能材料研究獲新進展
工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降碳是實現(xiàn)能源強國和雙碳目標的重要路徑。高溫紅外輻射涂層通過熱輻射的方式實現(xiàn)熱量傳遞，在0.78~16 μm波段，可有效增強輻射傳熱、降低能耗和碳排放，在火力發(fā)電、冶金、石油化工、航空航天等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。近年來，高熵氧化物因其獨特的晶格畸變、混合價態(tài)和豐富氧空位等特性，展現(xiàn)出優(yōu)異的紅外輻射可調(diào)控潛力。
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/甘肅省節(jié)能與儲能材料重點實驗室高祥虎研究員團隊長期致力于高溫熱管理與節(jié)能新技術(shù)研究。前期，團隊圍繞高熵尖晶石氧化物的設(shè)計制備與電磁波性能調(diào)控開展了系列研究，提出“熵驅(qū)動多相工程”策略，通過精準調(diào)控鑭（La）摻雜量，在尖晶石型高熵氧化物基體中實現(xiàn)了三種晶相的熱力學穩(wěn)定共存，突破了傳統(tǒng)材料的性能局限。相關(guān)研究工作以“Entropy-Driven Multiphase Engineering Enables Superior Broadband Infrared Emissivity in High-Entropy Oxides”為題發(fā)表在Advanced Materials上（2025, 38, e08636）。
近期，該團隊設(shè)計了一種將構(gòu)型熵與反尖晶石有序化耦合的通用化學策略，以實現(xiàn)穩(wěn)鍵的寬帶紅外發(fā)射率，在紅外輻射熱管理領(lǐng)域取得了新進展。針對構(gòu)型熵與位點反轉(zhuǎn)、缺陷化學與晶格動力學耦合如何調(diào)控紅外輻射性能這一科學問題，該團隊通過簡便、低成本的固相合成法，采用熵驅(qū)動位點反轉(zhuǎn)設(shè)計合成了中熵氧化物(Co0.25Ni0.25Mn0.25Cu0.25)Cr2O4（如圖1），重點研究了中熵氧化物內(nèi)部混合價態(tài)、氧空位和電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，熵驅(qū)動位點反轉(zhuǎn)促進了混合價態(tài)和豐富氧空位，增強了軌道雜化并激活了紅外聲子，將傳統(tǒng)尖晶石氧化物轉(zhuǎn)化為近黑體、耐高溫的紅外輻射體；該材料在0.78–16 μm波段的發(fā)射率達0.90，其中在1000 °C以上關(guān)鍵輻射換熱窗口（2–8 μm）的發(fā)射率是二元氧化物的兩倍以上（如圖2）；材料在1300 °C下經(jīng)過200小時高溫老化后，仍保持單相結(jié)構(gòu)和高發(fā)射率；塊體材料表現(xiàn)出低熱導(dǎo)率（800 °C時為0.53 W·m-1·K-1），作為可噴涂涂層在鋼和耐火材料上實現(xiàn)約0.96的發(fā)射率，模擬顯示可使爐內(nèi)溫度提高約44.3 °C。
圖1.中熵氧化物設(shè)計及紅外輻射性能調(diào)節(jié)
研究人員結(jié)合光譜分析與密度泛函理論計算，系統(tǒng)考察了中熵氧化物的混合價態(tài)、氧空位及電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，反尖晶石有序化和高構(gòu)型熵的協(xié)同效應(yīng)促進了強軌道雜化、帶隙變窄和增強的電子-聲子耦合，這些機制共同支撐了卓越的紅外輻射性能。該研究系統(tǒng)的揭示了熵驅(qū)動下陽離子無序化、位點反轉(zhuǎn)與晶格缺陷協(xié)同調(diào)控電子結(jié)構(gòu)與聲子行為的機制，實現(xiàn)了對紅外輻射性能的精準優(yōu)化。這為開發(fā)兼具高發(fā)射率與高穩(wěn)定性的新一代紅外輻射涂層提供了理論指導(dǎo)，也為熱管理、能量轉(zhuǎn)換和環(huán)境保護領(lǐng)域下一代高溫材料的研發(fā)繪制了發(fā)展藍圖。
圖2.中熵氧化物的紅外輻射性能、高溫熱穩(wěn)定性及熱傳導(dǎo)性能
相關(guān)研究成果以“Entropy-Enabled Site Inversion and Defect Activation in Medium-Entropy Spinels for Near-Black Infrared Emission”為題，發(fā)表在Advanced Materials（2026, DOI: 10.1002/adma.202572917）上。蘭州化物所孫戈婷博士為論文第一作者，高祥虎研究員、何成玉助理研究員和內(nèi)蒙古大學王蕾教授為共同通訊作者。
上述研究獲得了國家自然科學基金、中國科學院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項、甘肅省重大科技專項、中國博士后科學基金等項目的支持。
