高熵合金通常被定義為含有5個以上主元素的固溶體，並且每個元素的摩爾比為5~35%，具有優異的力學、耐高溫、耐磨、耐蝕、抗輻照等效能，在較多領域展現出發展潛力。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副研究員高祥虎、研究員劉剛帶領的科研團隊，透過組分調控、構型熵最佳化和結構設計，製備出系列高熵合金基高溫太陽能光譜選擇性吸收塗層。
前期，研究人員設計出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矽組成的彩色太陽能光譜選擇性吸收塗層，其吸收率可達93.5%，發射率低於10%。研究人員發現，單層高熵合金氮化物陶瓷具有良好的本徵吸收特性，因此製備出結構簡單的塗層。以高熵合金氮化物作為吸收層，SiO2或Si3N4作為減反射層得到的塗層吸收率可達92.8%，發射率低於7%，並可在650°C的真空條件下穩定300小時。
近期，為進一步提升塗層吸收能力，研究人員選用不鏽鋼作為基底，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，SiO2、Si3N4、Al2O3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）。研究透過光學設計軟體（CODE）進行最佳化，利用反應磁控濺射的方法制備，提高了製備效率。塗層吸收率可達96%，熱發射率被抑制到低於10%。研究人員透過時域有限差分法（FDTD）研究了塗層光吸收機制。長期熱穩定性研究表明，高熵合金氮化物吸收塗層在600°C真空條件下，退火168小時後仍保持良好的光學效能；計算塗層在不同工作溫度和聚光比的光熱轉化效率發現，當工作溫度為550°C、聚光比為100時，塗層的光熱轉化效率可達90.1%。該圖層顯示出優異的光熱轉換效率和熱穩定性（圖2）。
研究人員將吸收塗層沉積在不同基底材料上製備的塗層依然保持優異的光學效能，並在鋁箔上實現了塗層的大規模製備。對不同入射角的吸收譜圖研究發現，吸收塗層在入射光角度為0-60°的範圍內具有良好的吸收率。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，塗層表面的溫度超過100℃，表明該材料在介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、Solar RRL、Journal of Materiomics上。上述工作開發出兼具優異光學效能和耐高溫效能的高溫太陽能光譜選擇性吸收塗層，拓展了高熵合金在新能源材料領域的功能應用。研究工作得到中科院青年創新促進會、中科院科技服務網路計劃區域重點專案和甘肅省重大科技專案的支援。
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塗層
圖2.光譜選擇性吸收機制和熱穩定性研究
來源：中國科學院蘭州化學物理研究所
