1.成果簡介
近幾十年來，日益嚴(yán)重的污染和能源短缺使得研究人員開始關(guān)注可再生能源。太陽能作為一種對環(huán)境友好、成本低廉的可再生能源，因其資源豐富和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢而發(fā)展迅速。在太陽能的各種應(yīng)用中，通過將吸收的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的直接吸收太陽能集熱器(DASCs)是最有前途和最方便的選擇之一。其原理是通過工作流體直接吸收陽光，并將其轉(zhuǎn)化為熱能。與傳統(tǒng)的基于表面的太陽能集熱器相比，DASCs由于其較低的熱損失和較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，具有廣泛的應(yīng)用潛力。但常規(guī)流體的光吸收能力較低，限制了DASCs的發(fā)展。后來。通過將納米顆粒和基液混合形成懸液，得到的納米流體。納米顆粒良好的光吸收和熱導(dǎo)率提高了納米流體的光熱特性，從而提高了DASCs的整體吸熱率。
納米流體的光熱特性一直是DASCs研究的熱點(diǎn)。目前，納米流體在中溫領(lǐng)域的應(yīng)用研究較少。低比熱容的液體在相同的太陽輻射下可以達(dá)到更高的溫度，這擴(kuò)展了納米流體在中溫領(lǐng)域下的應(yīng)用。近日，上海先進(jìn)熱功能材料工程技術(shù)研究中心的研究團(tuán)隊(duì)提出將尿素/氯化膽堿(ChCl)低共熔溶劑(DES)作為一種新的基液。與水相比，該DES具有較高的沸點(diǎn)和較小的比熱容，在DASCs中表現(xiàn)出更好的光熱性能。采用加熱法制備DES，其光熱轉(zhuǎn)換率能達(dá)到56.9%，比水和乙二醇(EG)的光熱轉(zhuǎn)換率分別高出36.4%和11%。實(shí)驗(yàn)研究表明，40 ppm DES基石墨烯納米流體的光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá)94.3%，當(dāng)太陽輻射提高到2000 W?m-2時(shí)，其最高溫度可達(dá)115℃。此外，DES基石墨烯納米流體表現(xiàn)出極大的穩(wěn)定性，在45天內(nèi)不會發(fā)生沉淀。這些研究驗(yàn)證了DES基石墨烯納米流體具有較高品位能，從而擴(kuò)大了低共熔溶劑基納米流體的應(yīng)用范圍。
2.圖文導(dǎo)讀
圖1.DES和納米流體的制備過程
圖2.光熱轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)
圖3.石墨烯的SEM和尿素、氯化膽堿、DES的紅外
圖4. DES基石墨烯納米流體穩(wěn)定性測試
圖5. DES基石墨烯納米流體光學(xué)性能測試
圖6. DES基石墨烯納米流體粘度測試
圖7. 1000 W?m-2下DES基石墨烯納米流體光熱性能測試
圖8. 2000 W?m-2下DES基石墨烯納米流體光熱性能測試
3.小結(jié)
傳統(tǒng)的納米流體在DASCs中存在比熱容大和容易顆粒聚集的缺點(diǎn)，這是造成光熱效率低的重要原因。本文以高沸點(diǎn)、穩(wěn)定性好、比熱容小的尿素/氯化膽堿DES為納米流體基液，其表現(xiàn)出了優(yōu)異的光熱性能。制備了不同質(zhì)量濃度(0ppm、10ppm、30ppm、40ppm、50ppm、100ppm)的DES基石墨烯納米流體，并對其性能進(jìn)行了測試。主要研究結(jié)果如下: (i)純DES的光熱效率比水的光熱轉(zhuǎn)化率高36.4%。這是因?yàn)镈ES的比熱容較小，在相同的熱量下，它能達(dá)到更高的溫度。此外，與水和EG相比，DES的平衡溫度也最高，可達(dá)45.4℃。(ii)石墨烯的加入提高了DES的光熱轉(zhuǎn)換效率。40ppm石墨烯納米流體的光熱轉(zhuǎn)換效率最高，為94.3%。特別是當(dāng)太陽輻射為2000 W?m-2時(shí)，40ppm石墨烯納米流體的最高溫度可達(dá)116°C。這為納米流體在高溫下的應(yīng)用提供了一條可行的途徑。(iii)DES基石墨烯納米流體45天前后的透射光譜表明，DES基石墨烯納米流體保持了良好的穩(wěn)定性，幾乎沒有納米顆粒的沉積和團(tuán)聚。這些研究證明了DES基石墨烯納米流體在DASCs上應(yīng)用的潛力。
以上成果發(fā)表在Renewable Energy期刊（中科院一區(qū)，TOP期刊，IF 8.0）上，上海第二工業(yè)大學(xué)碩士研究生高婧瓊為第一作者，上海第二工業(yè)大學(xué)能源與材料學(xué)院于偉教授和西安交通大學(xué)化學(xué)與工程學(xué)院Omid Mahian教授為共同通訊作者。Title：Graphene-based deep eutectic solvent nanofluids with high photothermal conversion and high-grade energy，Renewable Energy 190 （2022）935-944。