科技日?qǐng)?bào)記者 頡滿斌

記者4月14日從中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所獲悉，該所資源化學(xué)與能源材料研究中心、甘肅省節(jié)能與儲(chǔ)能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室高祥虎研究員團(tuán)隊(duì)在高熵紅外輻射節(jié)能材料領(lǐng)域取得了新進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表于《先進(jìn)材料》。

工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能降碳是實(shí)現(xiàn)能源強(qiáng)國(guó)和“雙碳”目標(biāo)的重要路徑。高溫紅外輻射涂層可在0.78—16μm波段有效增強(qiáng)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(lái)，高熵氧化物憑借其晶格畸變、混合價(jià)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。

該團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于高溫?zé)峁芾砼c節(jié)能新技術(shù)研究。前期圍繞高熵尖晶石氧化物的設(shè)計(jì)制備與電磁波性能調(diào)控開(kāi)展了系列工作，提出“熵驅(qū)動(dòng)多相工程”策略，通過(guò)調(diào)控鑭（La）摻雜量實(shí)現(xiàn)三種晶相穩(wěn)定共存，突破了傳統(tǒng)材料的性能局限。

近期，針對(duì)構(gòu)型熵與位點(diǎn)反轉(zhuǎn)、缺陷化學(xué)與晶格動(dòng)力學(xué)耦合如何調(diào)控紅外輻射性能的科學(xué)問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出將構(gòu)型熵與反尖晶石有序化耦合的通用化學(xué)策略，采用低成本的固相合成法設(shè)計(jì)合成了中熵氧化物（Co_0.25Ni_0.25Mn_0.25Cu_0.25）Cr₂O₄。結(jié)果表明，熵驅(qū)動(dòng)位點(diǎn)反轉(zhuǎn)促進(jìn)了混合價(jià)態(tài)和豐富氧空位將傳統(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—16μm波段的發(fā)射率達(dá)0.90，其中在1000℃以上關(guān)鍵輻射換熱窗口（2—8μm）的發(fā)射率是二元氧化物的兩倍以上；材料在1300℃下經(jīng)過(guò)200小時(shí)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℃時(shí)為0.53W·m^-1·K^-1），作為可噴涂涂層在鋼和耐火材料上實(shí)現(xiàn)約0.96的發(fā)射率，模擬顯示可使?fàn)t內(nèi)溫度提高約44.3℃。

此外，研究人員結(jié)合光譜分析與密度泛函理論計(jì)算證實(shí)，反尖晶石有序化和高構(gòu)型熵的協(xié)同效應(yīng)，促進(jìn)強(qiáng)軌道雜化、帶隙變窄和增強(qiáng)的電子—聲子耦合，實(shí)現(xiàn)了紅外輻射性能的精準(zhǔn)優(yōu)化。為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(hù)領(lǐng)域下一代高溫材料的研發(fā)繪制了發(fā)展藍(lán)圖。