蘭州化物所高熵合金基高溫太陽能光譜選擇性吸收塗層研究獲系列進展

  高熵合金通常被定義爲含有5個以上主元素的固溶體,且每個元素的摩爾比爲5~35%。作爲合金材料界的新秀,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,365bet代理环境材料与生态化学研究发展中心高祥虎副研究員、刘刚研究員带领的科研团队,通过组分调控、构型熵优化和结构设计,成功制备了系列高熵合金基高温太阳能光谱选择性吸收涂层。

  研究人员设计了一种由红外反射层铝、高熵合金氮化物、高熵合金氮氧化物和二氧化硅组成的彩色太阳能光谱选择性吸收涂层,其吸收率可达93.5%,发射率低于10%。相关研究成果发表在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塗層。他們以高熵合金氮化物作爲吸收層,SiO2或Si3N4作为减反射层,得到的涂层吸收率可达92.8%,发射率低于7%,并可在650 °C的真空条件下稳定300小时。相关研究成果发表在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。

图1 光学模拟结合磁控溅射方法制备太阳能光谱选择性吸收涂层

  爲進一步提升塗層吸收能力,研究人員選用不鏽鋼作爲基底,低氮含量高熵合金薄膜作爲主吸收層,高氮含量高熵合金薄膜作爲消光幹涉層,SiO2、Si3N4、Al2O3作为减反射层,形成了从基底到表面光学常数逐渐递减的结构(图1)。通过光学设计软件(CODE)进行优化,利用反应磁控溅射的方法制备,提高了制备效率。涂层吸收率可达96%,热发射率被抑制到低于10%。研究人员通过时域有限差分法(FDTD)研究了涂层光吸收机制。通过长期热稳定性研究,结果表明高熵合金氮化物吸收涂层在600 °C真空条件下,退火168小时后依旧保持良好的光学性能。计算了涂层在不同工作温度和聚光比的光热转化效率,当工作温度为550 °C、聚光比为100时,涂层的光热转化效率能达到90.1%。相比近期国内外报道的相关研究工作,该涂层显示出优异的光热转换效率和热稳定性(图2)。

图2 光谱选择性吸收机制和热稳定性研究

  研究人员通过将吸收涂层沉积在不同基底材料上,制备的涂层依然保持优异的光学性能,并在铝箔上实现了涂层的大规模制备。通过对不同入射角的吸收谱图研究发现,吸收涂层在入射光角度为0-60°的范围内都具有良好的吸收率。研究人员模拟太阳光对吸收器表面进行照射,在太阳光照射下,涂层表面的温度超过100℃,表明该材料在界面水蒸发研究领域具有重要应用价值。相关研究成果发表在Journal of Materials Chemistry A(2021 9, 21270-21280)、Solar RRL(2021, 5, 2000790)、Journal of Materiomics(2021, 7, 460-469 (invited))上。

  上述工作开发了兼具优异光学性能和耐高温性能的高温太阳能光谱选择性吸收涂层,拓展了高熵合金在新能源材料领域的功能应用。何成玉博士生为上述論文第一作者。

  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。

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