高溫紅外輻射涂層作為高效節能新材料，通過熱輻射方式提高傳熱效率，在火力發電、鋼鐵、電力、石油化工、冶金和焦化行業頗具應用前景。近年來，高熵材料尤其是高熵氧化物具有可調控的主元組分和獨特的晶體結構，使其在功能材料研究與應用領域備受關注。然而，鮮有關于高熵材料在高溫紅外輻射方面的研究報道。
 

　　中國科學院蘭州化學物理研究所清潔能源化學與材料實驗室低碳能源材料組高祥虎研究員團隊在新型高溫紅外輻射材料的設計與制備方面開展了系統研究。針對傳統尖晶石氧化物在短波長紅外區域發射率低、熱穩定性不佳的問題，研究提出了利用高熵概念進行材料性能優化設計。科研人員通過簡便、低成本的固相合成反應，制備出(CuMnFeCr)3O4尖晶石型高熵氧化物紅外輻射材料，重點研究了高熵多主元設計對材料紅外輻射性能和高溫熱穩定性的影響。結果表明，多主元設計可有效提高0.78-2.5μm和2.5-16μm波段的紅外發射率，且高熵效應利于長效的化學熱穩定性。相關成果發表在《ACS應用材料與界面》(ACS Applied Materials & Interfaces)上。
 

　　近日，該團隊通過理論與實驗相結合的方式，進一步闡明了高熵氧化物的微觀結構、元素組分、電子分布與紅外輻射性能的構效關系，揭示了高熵工程對材料紅外輻射性能提升的內在機制。結果表明，高熵策略產生的軌道雜化可有效增強電子躍遷幾率，通過變價金屬元素引入大量氧空位，從而減小材料的帶隙(圖1)。同時，晶格畸變效應降低了晶格振動的對稱性。因此，(MnCrFeCoCu)3O4高熵尖晶石氧化物具有優異的近黑體輻射能力。經1300°C退火熱處理100h后，材料仍保持單相尖晶石結構，紅外輻射衰減率僅為2.1%(圖2)。
 

　　此外，研究人員利用冷噴涂技術將高熵氧化物紅外輻射材料沉積在不銹鋼基底。該紅外輻射涂層具有高的輻射熱效率和顯著的熱穩定性，在0.78-16μm波段紅外發射率可達0.943。這種新型高熵紅外輻射材料在高溫工業熱輻射領域頗具應用潛力。
 

　　相關研究成果以High-Entropy Engineering for Broadband Infrared Radiation為題，發表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。研究工作得到中國科學院戰略性先導科技專項(A類)-煤炭清潔燃燒與低碳利用專項、中國科學院潔凈能源創新研究院-榆林學院聯合基金、蘭州化物所“十四五”規劃重大突破項目等的支持。
 

圖1.?高熵氧化物紅外輻射材料寬波段高發射率機理研究
 

圖2.?高熵氧化物紅外輻射材料寬波段發射率及高溫熱穩定性評估
 

圖3.?高熵氧化物紅外輻射材料輻射傳熱性能驗證