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高熵合(he)金(jin)(jin)通常被(bei)定(ding)義為(wei)含有5個(ge)以上主元(yuan)素的(de)固溶體，且(qie)每個(ge)元(yuan)素的(de)摩爾比為(wei)5~35%。作為(wei)合(he)金(jin)(jin)材料界的(de)新秀，它的(de)問世(shi)打破了傳統合(he)金(jin)(jin)設計(ji)理念。高熵合(he)金(jin)(jin)具有優(you)異的(de)力學、耐高溫、耐磨、耐蝕、抗輻照等性能，在很多領域(yu)均展(zhan)現出了巨大的(de)發展(zhan)潛力。

近期，中(zhong)國科學(xue)院蘭州化(hua)學(xue)物理(li)研(yan)究所（簡稱中(zhong)科院蘭州化(hua)物所）環境材料(liao)與(yu)生態化(hua)學(xue)研(yan)究發展中(zhong)心傳來消息：高祥虎副研(yan)究員(yuan)、劉剛研(yan)究員(yuan)帶(dai)領(ling)的科研(yan)團隊，通過(guo)組(zu)分調控、構型熵優化(hua)和結(jie)構設計(ji)，成功制備了系列高熵合金基高溫太陽能光譜選擇性吸收涂(tu)層。

研(yan)究人員設計了一種由紅外反射(she)層(ceng)鋁、高熵合(he)(he)金氮化物、高熵合(he)(he)金氮氧化物和二氧化硅(gui)組成(cheng)(cheng)的彩色太陽(yang)能光譜(pu)選擇性(xing)吸收涂層(ceng)，其吸收率可(ke)達93.5%，發(fa)(fa)射(she)率低于10%。相關研(yan)究成(cheng)(cheng)果發(fa)(fa)表在(zai)Solar Energy Materials and Solar Cells（2020,209,110444）、Solar Energy Materials and Solar Cells（2020,217,110709）上(shang)。

研(yan)究(jiu)人員(yuan)發現(xian)單層(ceng)的(de)高熵合(he)金氮化(hua)物(wu)陶瓷也(ye)具有(you)良好的(de)本(ben)征吸收(shou)特性，因此(ci)，制備了一種結(jie)構簡單的(de)涂層(ceng)。他們以高熵合(he)金氮化(hua)物(wu)作(zuo)為吸收(shou)層(ceng)，SiO?或Si?N?作(zuo)為減反射層(ceng)，得到的(de)涂層(ceng)吸收(shou)率(lv)可達92.8%，發射率(lv)低于7%，并(bing)可在650℃的(de)真空(kong)條件下穩定(ding)300小時。相關研(yan)究(jiu)成果(guo)發表在Journal of Materials Chemistry A（2021,9,6413-6422）、ACS Applied Materials&Interfaces（2021,13,16987-16996）、ACS Applied Energy Materials（2021,4,8801–8809）上。

圖1光學模擬結合磁控濺射方法制備太陽能光譜選擇性吸收涂層

為(wei)(wei)進一步提升涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)吸收能力，研(yan)究人(ren)員(yuan)選用(yong)不銹鋼作為(wei)(wei)基底，低氮(dan)含(han)量高熵(shang)合金(jin)薄(bo)膜作為(wei)(wei)主吸收層(ceng)，高氮(dan)含(han)量高熵(shang)合金(jin)薄(bo)膜作為(wei)(wei)消(xiao)光(guang)(guang)(guang)干涉層(ceng)，SiO?、Si?N?、Al?O?作為(wei)(wei)減反(fan)射(she)層(ceng)，形成了(le)從基底到(dao)表(biao)面光(guang)(guang)(guang)學常數逐漸遞減的結(jie)構（圖1）。通過光(guang)(guang)(guang)學設計軟件（CODE）進行優化(hua)(hua)，利(li)用(yong)反(fan)應磁(ci)控濺(jian)射(she)的方法制(zhi)備，提高了(le)制(zhi)備效(xiao)率(lv)(lv)(lv)。涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)吸收率(lv)(lv)(lv)可達96%，熱(re)發(fa)射(she)率(lv)(lv)(lv)被抑制(zhi)到(dao)低于10%。研(yan)究人(ren)員(yuan)通過時(shi)(shi)域有限差分法（FDTD）研(yan)究了(le)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)光(guang)(guang)(guang)吸收機制(zhi)。通過長期(qi)(qi)熱(re)穩定性研(yan)究，結(jie)果表(biao)明高熵(shang)合金(jin)氮(dan)化(hua)(hua)物吸收涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)在600℃真(zhen)空條(tiao)件下，退火168小時(shi)(shi)后依(yi)舊保持良好的光(guang)(guang)(guang)學性能。計算(suan)了(le)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)在不同工作溫(wen)度(du)和聚(ju)光(guang)(guang)(guang)比(bi)的光(guang)(guang)(guang)熱(re)轉化(hua)(hua)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)，當工作溫(wen)度(du)為(wei)(wei)550℃、聚(ju)光(guang)(guang)(guang)比(bi)為(wei)(wei)100時(shi)(shi)，涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)的光(guang)(guang)(guang)熱(re)轉化(hua)(hua)效(xiao)率(lv)(lv)(lv)能達到(dao)90.1%。相(xiang)比(bi)近(jin)期(qi)(qi)國內外(wai)報道的相(xiang)關(guan)研(yan)究工作，該(gai)涂(tu)(tu)(tu)層(ceng)顯示出優異的光(guang)(guang)(guang)熱(re)轉換效(xiao)率(lv)(lv)(lv)和熱(re)穩定性（圖2）。

圖2光譜選擇性吸收機制和熱穩定性研究

研究(jiu)(jiu)人(ren)員通(tong)過(guo)(guo)將吸(xi)收(shou)(shou)涂層(ceng)沉積在(zai)(zai)不同基(ji)底材料(liao)上，制備的(de)(de)涂層(ceng)依然保持優異的(de)(de)光(guang)學性能(neng)，并在(zai)(zai)鋁箔上實(shi)現(xian)了涂層(ceng)的(de)(de)大規(gui)模制備。通(tong)過(guo)(guo)對(dui)不同入射(she)角(jiao)的(de)(de)吸(xi)收(shou)(shou)譜圖研究(jiu)(jiu)發現(xian)，吸(xi)收(shou)(shou)涂層(ceng)在(zai)(zai)入射(she)光(guang)角(jiao)度為0-60°的(de)(de)范圍內都具有良好的(de)(de)吸(xi)收(shou)(shou)率。研究(jiu)(jiu)人(ren)員模擬太陽光(guang)對(dui)吸(xi)收(shou)(shou)器表(biao)(biao)面進行照(zhao)(zhao)射(she)，在(zai)(zai)太陽光(guang)照(zhao)(zhao)射(she)下，涂層(ceng)表(biao)(biao)面的(de)(de)溫度超過(guo)(guo)100℃，表(biao)(biao)明該材料(liao)在(zai)(zai)界(jie)面水蒸(zheng)發研究(jiu)(jiu)領域具有重要(yao)應(ying)用價(jia)值。相關研究(jiu)(jiu)成果發表(biao)(biao)在(zai)(zai)Journal of Materials Chemistry A（2021 9,21270-21280）、Solar RRL（2021,5,2000790）、Journal of Materiomics（2021,7,460-469(invited)）上。

上述(shu)工作開發了兼具優(you)異光學(xue)性能(neng)和耐高(gao)溫(wen)性能(neng)的高(gao)溫(wen)太陽(yang)能(neng)光譜選(xuan)擇性吸收涂層(ceng)，拓展了高(gao)熵合(he)金在新(xin)能(neng)源(yuan)材(cai)料領域的功(gong)能(neng)應用。何(he)成玉博士生為(wei)上述(shu)論(lun)文第(di)一作者。

該工作(zuo)得到了中科(ke)院青促會（2018455）、中科(ke)院科(ke)技(ji)服(fu)務網絡計劃區(qu)域重點項(xiang)目（KFJ-STS-QYZD-139）和甘肅省重大科(ke)技(ji)項(xiang)目（20ZD7GF011）的支持(chi)。

來源：中國科學院蘭州化學物理(li)研(yan)究所環境材料(liao)與生態化學研(yan)究發(fa)展中心(xin)。