钴掺杂CuMn2 O4 褶皱微球的协同调控策略及其超高红外发射性能研究

为解决尖晶石型CuMn2 O4 （CMO）红外发射率低、能带间隙大等问题，济南大学团队提出"内外协同培育"策略，通过喷雾干燥法设计钴掺杂CMO（CCMO-25）多孔褶皱微球。该材料在3–5 μm波段实现0.96的超高发射率（500°C），其涂层在金属/陶瓷基体上展现优异的热震稳定性和界面结合力，为绿色节能材料开发提供新范式。

　　

论文解读
在全球能源危机与环境恶化的双重压力下，开发高效节能材料已成为科研界的"必答题"。红外辐射材料因其能将热能直接转化为辐射能，在工业加热、电子散热等领域展现出巨大潜力。然而，传统尖晶石型CuMn₂
O₄
（CMO）面临"卡脖子"难题——其发射率徘徊在0.8左右，且宽能带（~2.1 eV）严重制约电子跃迁概率。更棘手的是，块体CMO在热循环中易开裂失效，犹如"温室花朵"难以适应实际工况。

济南大学的研究团队独辟蹊径，借鉴"内外兼修"的东方智慧，通过喷雾干燥技术构建钴掺杂CMO（CCMO）多孔褶皱微球。这种"内修晶格、外塑形貌"的策略，犹如为材料施展"基因编辑"：内部通过Co³⁺
取代Mn³⁺
诱导晶格畸变（0.564%）、增加氧空位（41.5%）并缩窄能带（~1.36 eV）；外部则借助微球褶皱结构形成光陷阱效应，使入射红外光经历"迷宫式"多重反射。这种协同效应使CCMO-25在3–5 μm波段发射率飙升至0.96，较原始CMO提升20%，堪称红外材料界的"黑马"。

关键技术方法
研究采用喷雾干燥-热处理联用技术制备CCMO-x系列样品，通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）解析晶体结构与化学态，利用电子顺磁共振（EPR）和紫外-可见漫反射（UV-Vis DRS）定量氧空位浓度与能带宽度，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）测定发射率，最后通过热震实验（30次循环）评估涂层可靠性。

研究结果

1. 材料设计与合成：喷雾干燥过程中乙酸铜/锰前驱体与柠檬酸（CA）形成金属-有机框架，经600°C热处理后转化为多孔褶皱微球，其表面"沟壑纵横"的形貌宛如微型月球表面。

2. 结构调控机制：当Co/Mn摩尔比为2.5:7.5时，CCMO-25呈现最大晶格畸变（XRD精修证实），EPR显示其氧空位信号强度是CMO的2.3倍，UV-Vis证实其能带宽度从1.98 eV（CMO）降至1.36 eV。

3. 性能突破：在500°C测试条件下，CCMO-25的3–5 μm波段平均发射率达0.96，归因于Co-O键振动与Mn-O键的协同吸收（FTIR证实）。其涂层经30次热震（室温?800°C）后无剥落，得益于微球褶皱结构缓冲热应力。

4. 应用验证：将CCMO-25涂层应用于LED铝散热器，使结温降低14.3°C，光效提升8.7%，展现出"四两拨千斤"的节能效果。

结论与展望
该研究通过"原子尺度掺杂（internal cultivation）"与"微纳结构设计（external cultivation）"的巧妙融合，突破了CMO基材料的性能天花板。其意义不仅在于创纪录的发射率数值，更开创了"缺陷工程-形貌调控"协同强化的普适性策略。未来通过调控其他过渡金属（如Ni、Fe）掺杂比例，有望构建红外材料"基因库"。论文发表于《Sustainable Materials and Technologies》，为绿色制造提供了"材料-结构-性能"一体化的创新范式。