高熵合金通常被定義為含有5個以上主元素的固溶體，且每個元素的摩爾比為5~35%。作為合金材料界的新秀，它的問世打破了傳統合金設計理念。高熵合金具有優異的力學、耐高溫、耐磨、耐蝕、抗輻照等性能，在很多領域均展現出了巨大的發展潛力。

近期，中國科學院蘭州化學物理研究所（簡稱中科院蘭州化物所）環境材料與生態化學研究發展中心傳來消息：高祥虎副研究員、劉剛研究員帶領的科研團隊，通過組分調控、構型熵優化和結構設計，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層。

研究人員設計了一種由紅外反射層鋁、高熵合金氮化物、高熵合金氮氧化物和二氧化硅組成的彩色太陽能光譜選擇性吸收涂層，其吸收率可達93.5%，發射率低于10%。相關研究成果發表在Solar Energy Materials and Solar Cells（2020,209,110444）、Solar Energy Materials and Solar Cells（2020,217,110709）上。

研究人員發現單層的高熵合金氮化物陶瓷也具有良好的本征吸收特性，因此，制備了一種結構簡單的涂層。他們以高熵合金氮化物作為吸收層，SiO?或Si?N?作為減反射層，得到的涂層吸收率可達92.8%，發射率低于7%，并可在650℃的真空條件下穩定300小時。相關研究成果發表在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

為進一步提升涂層吸收能力，研究人員選用不銹鋼作為基底，低氮含量高熵合金薄膜作為主吸收層，高氮含量高熵合金薄膜作為消光干涉層，SiO?、Si?N?、Al?O?作為減反射層，形成了從基底到表面光學常數逐漸遞減的結構（圖1）。通過光學設計軟件（CODE）進行優化，利用反應磁控濺射的方法制備，提高了制備效率。涂層吸收率可達96%，熱發射率被抑制到低于10%。研究人員通過時域有限差分法（FDTD）研究了涂層光吸收機制。通過長期熱穩定性研究，結果表明高熵合金氮化物吸收涂層在600℃真空條件下，退火168小時后依舊保持良好的光學性能。計算了涂層在不同工作溫度和聚光比的光熱轉化效率，當工作溫度為550℃、聚光比為100時，涂層的光熱轉化效率能達到90.1%。相比近期國內外報道的相關研究工作，該涂層顯示出優異的光熱轉換效率和熱穩定性（圖2）。

圖2光譜選擇性吸收機制和熱穩定性研究

研究人員通過將吸收涂層沉積在不同基底材料上，制備的涂層依然保持優異的光學性能，并在鋁箔上實現了涂層的大規模制備。通過對不同入射角的吸收譜圖研究發現，吸收涂層在入射光角度為0-60°的范圍內都具有良好的吸收率。研究人員模擬太陽光對吸收器表面進行照射，在太陽光照射下，涂層表面的溫度超過100℃，表明該材料在界面水蒸發研究領域具有重要應用價值。相關研究成果發表在Journal of Materials Chemistry A（2021 9,21270-21280）、Solar RRL（2021,5,2000790）、Journal of Materiomics（2021,7,460-469(invited)）上。

上述工作開發了兼具優異光學性能和耐高溫性能的高溫太陽能光譜選擇性吸收涂層，拓展了高熵合金在新能源材料領域的功能應用。何成玉博士生為上述論文第一作者。

該工作得到了中科院青促會（2018455）、中科院科技服務網絡計劃區域重點項目（KFJ-STS-QYZD-139）和甘肅省重大科技項目（20ZD7GF011）的支持。

來源：中國科學院蘭州化學物理研究所環境材料與生態化學研究發展中心。