高熵材料的多主元設(shè)計為功能材料的研究與應(yīng)用提供了一個充滿潛力的平臺。其豐富的結(jié)構(gòu)特征和廣闊的成分空間，允許通過精確選擇元素組合來調(diào)控材料的電子結(jié)構(gòu)，從而調(diào)整費米能級附近的電子態(tài)密度，促進(jìn)d-d帶間躍遷，對于開發(fā)高效光熱轉(zhuǎn)換材料具有重要意義。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所資源化學(xué)與能源材料研究中心高祥虎研究員團隊多年來致力于高熵氮化物薄膜的設(shè)計制備和光熱轉(zhuǎn)換性能研究。研究人員通過反應(yīng)磁控濺射法制備出高熵氮化物基光譜選擇性吸收涂層，賦予了織物優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化能力，且具有良好的可穿戴性，有助于實現(xiàn)人體熱管理，降低了因取暖產(chǎn)生的能源消耗，相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Science(2023,10,2204817)上。然而，高熵光譜選擇性吸收涂層的光熱機制尚不明確，且其高溫?zé)岱€(wěn)定性仍不足。
圖1.?槽式聚光發(fā)電的設(shè)計理念和高熵工程的理論基礎(chǔ)基于高熵氮化物光吸收材料的前期研究，為滿足聚光太陽能系統(tǒng)高溫（750°C）工況下的應(yīng)用需求，研究人員精心選擇了構(gòu)成元素，并系統(tǒng)性地研究了高熵設(shè)計對材料電子結(jié)構(gòu)的影響（圖1）。研究結(jié)果顯示，高熵氮化物的復(fù)雜能帶結(jié)構(gòu)顯著提高了費米能級附近的態(tài)密度。同時，平坦的能帶結(jié)構(gòu)拓寬了材料的太陽能吸收范圍，并增強了帶間躍遷效應(yīng)，提升了材料的太陽能吸收性能。
圖2.?涂層的熱穩(wěn)定性和光熱轉(zhuǎn)換效率評估該團隊通過反應(yīng)磁控濺射法制備出由高熵氮化物吸收層和氮化硅減反射層組成的雙層光譜選擇性吸收涂層。在太陽光譜波段（0.3-2.5 μm）表現(xiàn)出92.7%的吸收率，紅外波段的熱發(fā)射率僅為8.4%。在1 kW·m-2模擬太陽光輻照條件下，涂層表面溫度在10分鐘內(nèi)可達(dá)到83.3°C；在戶外應(yīng)用中，其平衡溫度與非選擇性涂層的差異高達(dá)~21°C，展現(xiàn)出優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換效率和光譜選擇性。此外，得益于高熵效應(yīng)和緩慢擴散效應(yīng)帶來的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，該涂層在750°C退火后仍保持了出色的光學(xué)性能（圖2）。該涂層憑借其出色的光熱轉(zhuǎn)換能力、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和簡單易于規(guī)模化生產(chǎn)的雙層結(jié)構(gòu)，在提升槽式聚光發(fā)電系統(tǒng)效率方面具有重要意義，并為能源新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展提供了技術(shù)支撐。相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials(2024,2411316)上。趙鵬博士為論文的第一作者，高祥虎研究員和何成玉博士后為共同通訊作者。以上工作得到了甘肅省重大科技專項、中國科學(xué)院西部之光和蘭州化物所“十四五”規(guī)劃重大突破等項目支持。
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