高熵工程助力红外辐射增强与尖晶石氧化物低温合成

推荐 为解决传统耐火材料红外发射率低、高温稳定性不足等问题，研究人员通过高熵工程结合溶胶-凝胶法，成功制备了高熵尖晶石氧化物（Co, Fe, Cu, Ni, Mn, Cr）3O4。该材料在0.78–15.3 μm波段红外发射率超0.9，且可在600 ℃低温合成，兼具高效节能与优异热稳定性，为高温节能技术提供了新思路。

论文解读
在能源危机与高温工业需求日益增长的背景下，传统耐火材料因红外发射率低（通常低于0.5）、热稳定性不足等问题，难以满足高效辐射传热与节能需求。例如，在800 ℃以上的高温环境中，辐射传热占比超80%，而能量集中于近红外（0.78–2.5 μm）和中红外（2.5–14 μm）波段^[11]。如何通过材料设计提升红外发射率并实现低温节能合成，成为领域内亟待突破的关键问题。

为此，国内某研究团队以高熵工程（High-entropy Engineering, HE）为核心策略，结合溶胶-凝胶法，开发了一种新型高熵尖晶石氧化物（Co, Fe, Cu, Ni, Mn, Cr）₃O₄（简称CFCNMCO）。研究通过调控多元素协同效应，显著提升了材料的红外辐射性能与热稳定性，并揭示了其低温合成机制。该成果发表于《Applied Materials Today》，为高温节能材料的设计提供了新范式。

研究方法
研究人员采用溶胶-凝胶法合成CFCNMCO，利用高熵工程引入多元素协同效应，并通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等技术表征材料结构与形貌，结合理论计算分析其红外辐射机制。

研究结果

1. 材料结构与形貌
   XRD分析表明，CFCNMCO在900 ℃煅烧后呈现纯尖晶石相（面心立方Fd-3m结构），无杂相生成。SEM显示其形貌为不规则纳米颗粒，具有高比表面积与多孔结构，有利于光吸收与辐射增强^{[Fig. 2a]}。

2. 红外辐射性能
   实验表明，CFCNMCO在0.78–2.5 μm波段发射率达0.90，在2.5–15.3 μm波段达0.92，显著优于传统尖晶石材料（如CuFe₂O₄）^[16]。其高发射率源于多孔结构诱导的光散射增强、晶格畸变促进的电子跃迁，以及带隙窄化效应^[Abstract]。

3. 热稳定性与低温合成优势
   高熵体系的熵稳定效应使CFCNMCO在高温（>800 ℃）下仍保持结构稳定，而溶胶-凝胶法的低反应活化能使其可在600 ℃合成，较传统高温固相法（>1000 ℃）节能超40%^{[Introduction]}。

研究结论与意义
该研究通过高熵工程与溶胶-凝胶法的协同创新，突破了传统尖晶石材料在发射率与合成温度上的瓶颈。CFCNMCO的高发射率与低温合成特性，不仅为高温节能技术（如辐射冷却^[1]、工业窑炉热保护^[9]）提供了高性能材料，还验证了高熵设计在提升材料综合性能中的潜力。未来研究可进一步探索其在光热转换、隐身涂层等领域的应用，推动能源与环境技术的可持续发展。

术语解释

• 高熵工程（High-entropy Engineering, HE）：通过引入多种元素形成高熵体系，利用熵稳定效应提升材料性能。
• 尖晶石氧化物（Spinel Oxides）：具有AB₂O₄结构的金属氧化物，广泛应用于催化与光电领域。
• 红外辐射（Infrared Radiation）：波长介于0.78–1000 μm的电磁波，与热辐射密切相关。