原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Wu D, Zhang M, Wang X, et al. Phonon and bandgap engineering-driven Y-doped Mg₂Al₄Si₅O₁₈ ceramics for high-performance radiative cooling. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221292

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221292

ResearchGate: Phonon and bandgap engineering-driven Y-doped Mg2Al4Si5O18 ceramics for high-performance radiative cooling

基金支持：

本工作得到国家自然科学基金（52402093）、中国科学院海西研究院自部署项目研究计划（CXZX-2023-JQ07）、XMIREM自主部署项目（2023GG03）、厦门市自然科学基金（3502Z202472048和3502Z202573100）以及河南省杰出青年基金（252300421006）的资助。

1、导读

被动辐射冷却（PRC）将在新能源车和空间算力等战略新兴产业起到重要支撑。作为基质Mg₂Al₄Si₅O₁₈因宽禁带与丰富声子表现出PRC潜力，但其却难以兼顾高反射与高发射率。本文创新性地利用稀土Y³⁺诱导晶格畸变效应，耦合声子与能带工程对其材料实现禁带宽度和偶极矩的精准调控。新设计的材料，在近红外反射率和大气第一窗口发射率突破了双95%，且在第二大气窗口（16-25 μm）发射率实现97.53%，以钇为代表的稀土改性可为辐射制冷材料设计提供新的理论支撑。

图1 稀土钇改性Mg₂Al₄Si₅O₁₈的机理分析及性能对比。

2、研究背景

随着全球城市化进程加快与数据中心、新能源装备等产业快速扩张，建筑、新能源车、电子设备的冷却能耗持续攀升。传统压缩机制冷技术不仅消耗大量电力，还会排放温室气体与制冷剂，加剧全球变暖与环境负荷。发展不依赖电网、零碳排放、全天候稳定运行的被动冷却技术，已成为全球材料与能源领域的研究焦点。在被动辐射制冷系统中，基体材料的光谱选择性是决定冷却性能的核心，其作用在于将吸收的热量以红外辐射形式通过大气透明窗口（ATW-I，8-13 μm和ATW-II，16-25 μm）直接散向外太空，同时最大限度反射太阳光（0.4-2.5 μm）。在众多候选材料中，无机陶瓷因耐高温、抗紫外、耐候性强、力学性能稳定和经济友好型等优势，成为主流的优选体系。其中，β-Mg₂Al₄Si₅O₁₈（堇青石）理论禁带宽度超过5 eV，远高于太阳光子能量上限，本征太阳吸收极低，晶体内部中Al-O、Si-O键的伸缩与弯曲振动，恰好覆盖大气透明窗口，此外该材料为地球高丰度元素，具有较好的成本优势，使其成为辐射制冷材料设计的备选材料之一。然而，纯相Mg₂Al₄Si₅O₁₈因强极性化学键引发声子‑极化子共振，在8 μm和20 μm附近出现发射率低谷，难以兼顾双窗口的高红外发射率。同时如何在提升红外发射的同时保持太阳反射性能，也是辐射冷却材料设计的核心挑战。离子掺杂是调控晶体结构、声子行为与能带特性的有效手段，过渡金属离子掺杂易产生d-d电子跃迁导致太阳波段吸收增加；而高丰度稀土钇元素具有光学惰性，4f电子组态稳定，可在不引入额外光吸收的前提下引发晶格畸变、破坏长程有序结构，为协同调控声子与能带特性提供了可行路径。基于此，本文提出声子与能带协同工程策略，通过高丰度Y³⁺掺杂改性Mg₂Al₄Si₅O₁₈，突破传统辐射制冷材料的性能瓶颈。

3、研究结果及结论

（1）Y³⁺掺杂Mg₂Al₄Si₅O₁₈陶瓷的制备与物相组成

该研究以MgO、AlOOH、SiO₂和Y₂O₃为原料，采用高温固相反应法结合无压烧结工艺，在1400 ℃条件下成功制备出具有β-堇青石结构的Mg₂Al₄Si₅O₁₈：xY³⁺陶瓷材料。物相分析结果表明，当Y³⁺掺杂量在0%~10%范围内时，所有样品均保持纯相β-堇青石晶体结构，空间群为Cccm，无杂质相出现，当掺杂量提升至12.5%时开始出现Al₂SiO₅第二相，确定Y³⁺在Mg₂Al₄Si₅O₁₈晶格中的有效固溶极限为10%。Mg₂Al₄Si₅O₁₈晶体中Mg²⁺为六配位形成的[MgO₆]八面体，Si⁴⁺与Al³⁺为四配位形成[SiO₄]与[AlO₄]四面体，共同构成稳定的晶体骨架，由于Y³⁺与Mg²⁺的离子半径较为匹配，Y³⁺在晶格中优先占据Mg²⁺位点，为保持电荷平衡会伴随产生阳离子空位，进而引发晶格收缩，样品XRD特征衍射峰随Y³⁺掺杂量增加向高角度方向偏移。XRD精修结果显示，晶胞参数a与晶胞体积V随Y³⁺含量上升呈单调下降趋势，HAADF-STEM、EDS元素面分布证实，所制备的Mg₂Al₄Si₅O₁₈：xY³⁺固溶体在纳米尺度上元素分布均匀，无成分偏析与相分离现象，晶体结构完整且均一，为材料光学与辐射冷却性能的稳定发挥提供了可靠的结构基础。

图2 (a) Mg₂Al₄Si₅O₁₈的晶体结构，(b) Mg₂Al₄Si₅O₁₈：xY³⁺（x=0%、2.5%、5%、7.5%、10%和12.5%）的XRD图谱，(c-h) Mg₂Al₄Si₅O₁₈：xY³⁺（x=0%、2.5%、5%、7.5%和10%）的精修图谱，(i-l) Mg₂Al₄Si₅O₁₈：xY³⁺（x=2.5%、5%、7.5%和10%）的EDS元素分布图谱。

（2）声子工程调控与大气窗口红外发射性能优化

基于密度泛函理论的声子态密度计算与实验表征结果共同表明，Y³⁺掺杂能够从微观层面改变Mg₂Al₄Si₅O₁₈的晶格对称性与声子振动行为，进而实现对声子-极化子共振的有效抑制与红外发射性能的显著提升。纯相Mg₂Al₄Si₅O₁₈因强极性振动键，在8 μm与20 μm波段产生明显的声子-极化子共振，导致红外发射率出现明显凹陷，而Y³⁺掺杂引发的晶格畸变破坏了原有长程晶格有序性，增加了结构不对称性，使声子振动模式发生分裂与展宽，同时缩短声子寿命、降低声子相干性，有效弱化了声子-极化子共振。随着Y³⁺掺杂量的提升，材料在大气透明窗口内的声子态密度显著提高，氧原子键合环境得到优化，振动连续性与红外活性大幅增强，8 μm处发射率由90.46%提升至95.42%，20 μm处发射率由92.90%提升至97.67%，当Y³⁺掺杂量为10%时，样品在ATW-I的平均发射率由94.39% 提升至97.53%，ATW-II的平均发射率由96.02%提升至98.39%。拉曼光谱与键角标准差计算结果进一步证实，晶格畸变程度随Y³⁺掺杂量增加而逐渐增大，与大气窗口发射率的提升呈现显著正相关，清晰揭示了声子工程调控红外发射性能的内在物理机制。

图3 (a-b) Y掺杂Mg₂Al₄Si₅O₁₈的声子态密度，Mg₂Al₄Si₅O₁₈：xY³⁺（x=0%、2.5%、5%、7.5%和10%）的 (c) ATW-I和 (d) ATW-II发射率，(e) ATW-I和 (f) ATW-II发射率与掺杂浓度 (x) 和晶格畸变程度 (σ_i) 的关系。

（3）能带工程调控与太阳波段高反射性能实现

Y³⁺独特的电子结构为Mg₂Al₄Si₅O₁₈太阳波段反射性能的优化提供了核心支撑，通过能带工程与电子极化特性协同调控，实现了在不牺牲红外发射的前提下同步提升太阳反射率的目标。Y³⁺属于光学惰性离子，其4f电子组态在可见-近红外波段难产生电子跃迁，不会引入额外的光吸收，同时能够稳定维持基体宽禁带特性并实现禁带宽度的精准拓宽，经密度泛函理论计算，纯Mg₂Al₄Si₅O₁₈的禁带宽度为3.35 eV，随Y³⁺掺杂量增加逐渐拓宽至3.46 eV，从根本上抑制了太阳波段的本征光吸收。与此同时，Y³⁺掺杂改变了材料的电子极化响应特性，优化了介电响应，在0.4-2.5 μm太阳波段实现了更高的反射率，样品在可见-近红外波段的平均反射率由89.52%提升至94.77%，在强日照条件下能够最大限度减少热量吸收。禁带拓宽与电子极化调控的协同作用，使材料突破了传统辐射冷却材料“高发射与高反射难以兼顾”的瓶颈，为实现高效全天候冷却奠定了关键光学基础。

图4 (a) Mg₂Al₄Si₅O₁₈和 (b) Y掺杂Mg₂Al₄Si₅O₁₈的介电函数虚部，(c) Mg₂Al₄Si₅O₁₈：xY³⁺（x=0%、2.5%、5%、7.5%和10%）的Vis-NIR太阳反射率，(d) Mg₂Al₄Si₅O₁₈：xY³⁺（x=0%、2.5%、5%、7.5%和10%）Vis-NIR太阳反射率与掺杂浓度 (x) 和禁带宽度 (E_g) 的关系。

（4）Y掺杂Mg₂Al₄Si₅O₁₈陶瓷的辐射冷却性能与应用潜力

为验证实际应用价值，该研究将最优组分Mg₂Al₄Si₅O₁₈：10%Y³⁺陶瓷粉末与低熔点玻璃按7：3质量比复合，制备成可涂覆型辐射冷却涂层，并在厦门亚热带地区开展夏季全天候户外实测，结果充分展现了该材料优异的冷却性能与规模化应用潜力。在太阳辐照度高于850 W·m^-2的正午强光条件下，辐射冷却涂层较裸石板实现最大16.5 ℃的温度降低，平均净辐射冷却功率达到113.1 W·m^-2，综合性能优于MgO、Al₂O₃、SiO₂基等传统氧化物辐射冷却材料。该陶瓷材料以地壳丰量元素为原料，采用成熟的高温固相反应法制备，工艺流程简单、成本低廉、易于放大生产，同时无机陶瓷基体具备耐紫外、耐高温、抗老化、使用寿命长等优势，有效解决了聚合物基辐射冷却材料易降解、稳定性差的痛点。该研究成果不仅在基础科学层面阐明了声子与能带协同工程调控辐射冷却性能的微观机制，更在应用层面提供了一种高性能、低成本、环境友好的无机辐射冷却陶瓷解决方案，可广泛应用于建筑节能、光伏组件散热、数据中心热管理、户外装备与航天器热控等场景，为推动被动辐射冷却技术实用化、规模化落地，助力“双碳”目标实现提供了重要的材料支撑与技术保障。依托中稀（深圳）研究院在新能源车、储能柜、太空算力以及绿色建材等领域内做成果转化。

图5 Mg₂Al₄Si₅O₁₈：10%Y³⁺与不同无机氧化物作为辐射冷却器材料的性能对比。

4、作者及研究团队简介

杨帆（通讯作者），中国科学院福建物质结构研究所，研究员，课题组组长（稀土核安材料及稀土二次循环再利用课题组），博导，中稀土（深圳）研究院及中稀科创两用事业部总经理，中国稀土学会理事，中国核化工理事，福建省B类及福建省首批CY计划青年拔尖人才，福建省最美科技工作者，主要从事稀土及战略金属分离及回收、稀土基陶瓷新材料的开发等研究。截止到2026年，以第一作者或通讯作者在Journal of the European Ceramic Society、Ceramics International等SCI期刊发表论文60余篇，授权专利30余项。

邮箱：fanyang2013@fjirsm.ac.cn

陈恒（通讯作者），中国科学院福建物质结构研究所，副研究员，硕导，入选中国科学技术协会青年人才托举工程、福建省高层次人才C类、厦门市高层次人才C类。主要从事高熵陶瓷、高温/超高温陶瓷、核用特种陶瓷等材料的设计、制备与性能研究工作。主持国家自然科学基金青年项目、中国科学院重点部署科研专项（培育类）等6项国家/省部级项目，发表SCI论文30余篇，授权发明专利6项。担任中国稀土学会青委会委员，中国稀土学会第七届理事会专家库专家，以及Journal of Advanced Ceramics、稀土、现代技术陶瓷、Extreme Materials等期刊的青年编委。

邮箱：xmchenheng@fjirsm.ac.cn

向会敏（通讯作者），郑州大学，教授，博导，长期从事超高温陶瓷材料设计、结构与性能关系的理论及实验研究，主持包括国家自然科学基金面上项目10余项；相关研究工作已在国际学术刊物上发表SCI论文120余篇，引用超6000次，H因44，以第一作者身份出版英文专著一部，合著英文专著一部，参与译作一部；获中国发明专利授权12项；多次受邀在ICACC、CICC等材料领域重要国际会议做邀请报告。

个人主页：https://www5.zzu.edu.cn/clgc/info/1207/8072.htm

邮箱：hmxiang@alum.imr.ac.cn

吴迪（第一作者），福建师范大学-中国科学院福建物质结构研究所厦门稀土材料研究中心（联合培养），硕士研究生，师从杨帆研究员、陈恒副研究员。研究方向为稀土改性Mg₂Al₄Si₅O₁₈的制备及辐射制冷性能研究。

邮箱：xmwudi@fjirsm.ac.cn

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1)      Chen T, He Y, Pan Y, et al. High-entropy rare earth stannate ceramics: Acid corrosion resistant radiative cooling materials with high atmospheric transparency window emissivity and high near-infrared solar reflectivity. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(5): 630-640. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220884

2)      Ma M, Huang M, Xue L, et al. A potential thermophotovoltaic emitter Er(Ta_1−xNb_x)O₄ (0 ≤ x ≤ 0.2) with excellent selective emission performance. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(5): 9221072. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221072

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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