耐热纳米光子材料助力热电转化

       如今，纳米光子材料在发电和热转换等领域发挥着重要作用，但其在高温和氧气的共同影响下会遭到损坏。基于此，来自美国的科研人员设计出一种新型纳米光子异质结构，可在1100℃的环境下保持稳定，打破了高温稳定性的记录（Nat. Nanotechnol., doi: 10.1038/s41565-022-01205-1）。该材料有望提高电力生产效率，并为热辐射的控制和转换提供了更多可能性。

       这种材料由两种在高温下不会熔化的耐火矿物的交替层组成，它利用一种被称为破坏性干涉的现象来反射红外能量，同时让更短的波长通过。理论计算表明，其他成对的立方结构的氧化物可以在类似的层状光子结构中发挥作用。

       传统的选择性热发射器材料只能在空气中和高温环境下稳定的材料（如共晶陶瓷和氧化镱泡沫）和现有的纳米光子材料（如质子共振器和光子晶体）中二选一。虽然后者的光谱可调，但在高温环境下会因材料界面模糊和晶体结构崩解而失效。

图1新型纳米光子材料在反射红外光的同时可以让其他波长的光通过

       密歇根大学工程系教授Andrej Lenert和John T. Heron带领的团队首先在理论上预测了一维光子晶体如何在高温氧化环境中抵御退化。弗吉尼亚大学的研究生团队成员通过某个开源数据库寻找合适的候选材料并进行概念验证。他们选择了两种材料：一种化学式为BaZr0.5Hf0.5O3（BZHO）的过氧化物和立方晶体式的氧化镁。研究人员通过交替生长这两种材料形成不同厚度的光子晶体。当这些光子晶体暴露在极度高温下的空气中后，显微镜成像显示这两种矿物没有相互混合的迹象，而且层与层之间的原子列保持不变。

      实验测试中，研究人员使用异质结构来过滤两种热光伏材料在加热到1770℃时发出的热辐射。结果证明，该异质结构充当了一个有效的光谱过滤器。

       “在之前的研究中，传统材料高温下会发生氧化，以至于破坏了有序的分层结构。”Heron表示，“但如果选用氧化物，则不会出先这种状况，从而提高了分层结构的稳定性。”同时，该团队认为，其他不溶于水的耐火晶体也有可能适合类似的纳米光子设计，其性能标准适合更具体的应用，比如热光伏设备和太阳能转换。

       研究人员表示，“虽然离研究中所测试的材料的商业应用可能还需要数年时间，但我们核心在于开辟了一条研究其他各种纳米光子材料的新路线，有助于研究人员在未来开发一系列用于各种应用的新材料。”