科研進展
蘭州化物所高熵陶瓷電磁波調(diào)控研究獲新進展
與焓調(diào)控為主導(dǎo)的傳統(tǒng)材料不同，高熵陶瓷材料創(chuàng)新性地采用熵調(diào)控為主導(dǎo)的設(shè)計思路，多組分近乎無限的排列和組合，顯示出獨特的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和物理化學(xué)性能，在熱防護、儲能、電磁波吸收和催化等領(lǐng)域具有巨大的潛力。然而，高熵陶瓷在電磁波調(diào)控方向的研究卻鮮有報道。
中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所清潔能源化學(xué)與材料實驗室低碳能源材料課題組多年來致力于高熵陶瓷的設(shè)計制備和電磁波調(diào)控研究。研究人員通過簡便、低成本的固相合成反應(yīng)，制備出尖晶石型高熵氧化物紅外輻射材料，多主元設(shè)計產(chǎn)生的軌道雜化有效增強了電子躍遷幾率，顯著提高了 0.78-2.5 m和 2.5-16 m波段的紅外發(fā)射率，且高熵效應(yīng)賦予材料長效的熱穩(wěn)定性能。相關(guān)成果發(fā)表在 ACS Applied Materials & Interfaces( 2022, 14, 1950-1960)、 Advanced Functional Materials（ 2023, 33, 2303197）上。
圖 1. 高熵尖晶石氧化物的設(shè)計
基于前期高熵尖晶石氧化物紅外輻射性能的研究基礎(chǔ)，近日，研究人員開展了高熵尖晶石氧化物光吸收機制研究。為實現(xiàn)太陽光全波段光吸收特性，研究人員通過選用電子分布互補的過渡金屬元素對材料的能帶結(jié)構(gòu)進行理論設(shè)計，采用溶膠-凝膠燃燒法成功制備出一種具有面心立方結(jié)構(gòu)（ FCC）單相結(jié)構(gòu)的高熵尖晶石氧化物。與二元尖晶石氧化物相比，高熵氧化物由于獨特的高熵效應(yīng)、晶格畸變效應(yīng)和雞尾酒效應(yīng)，使得軌道能級發(fā)生分裂、費米能級附近電子密度增加以及金屬與氧強雜化作用，將尖晶石氧化物的帶隙從 2.65 eV大幅度降至 0 eV，實現(xiàn)了準金屬特性，促進了電子從價帶向?qū)кS遷，從而實現(xiàn)全波段太陽光吸收特性。
圖 2. 高熵尖晶石氧化物光熱轉(zhuǎn)化性能
太陽能波段吸收譜圖和光熱轉(zhuǎn)換性能評估表明，隨著過渡金屬元素增多，材料的光熱轉(zhuǎn)換性能增強。高熵尖晶石氧化物在太陽能全光譜波段（ 300-2500 nm）展現(xiàn)出 95.5%的太陽光吸收率；在 1 kW m-2模擬太陽光輻照下，材料表面溫度在 120s內(nèi)可從室溫升高至 63.2 ，表明其具有優(yōu)異的太陽能吸收和光熱轉(zhuǎn)換特性。隨后，將高熵尖晶石氧化物作為光熱轉(zhuǎn)換材料用于太陽能驅(qū)動海水淡化，材料的水蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率分別為 2.075 kg m-2 h-1和96.53%。鑒于優(yōu)異的光熱性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這種高熵尖晶石材料不僅可應(yīng)用于太陽能海水淡化，還有潛力應(yīng)用于光熱殺菌、光熱催化等領(lǐng)域。相關(guān)工作發(fā)表在 Matter ( 2024, 7, 140-157)上。劉寶華助理研究員為論文的第一作者，高祥虎研究員和何成玉博士為論文共同通訊作者。該工作得到了浙江大學(xué)李洋教授和河海大學(xué)李政通博士的支持。
以上工作得到了中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（ A類）-煤炭清潔燃燒與低碳利用專項、中國科學(xué)院潔凈能源創(chuàng)新研究院-榆林學(xué)院聯(lián)合基金和蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重大突破等項目的支持。
