Solar Energy|在石蜡中添加纳米Ti2O3：潜热几乎不降低的情况下改善其热和光热性能

研究背景

有机相变材料（PCM）的低熔点使其成为存储太阳能的理想选择。然而，有机PCM弱光热、导热性能严重阻碍了其实际应用。研究表明，向有机PCM中添加纳米颗粒可以有效改善其光热性能，但许多纳米颗粒成本高昂，难以合成，且加入纳米颗粒后，有机PCM潜热下降显著。最近，北京科技大学冯妍卉教授团队发现通过研磨粗 Ti 2 O 3颗粒（CTP）获得纳米Ti 2O 3粒子（NTP），展现出接近100%的太阳能热转换效率。由于NTP最初是在海水淡化中提出的，尚未引入PCM，作者认为NTP将是一种强化PCM光热转化特性的理想纳米颗粒。同时，进一步考察它对热导率、潜热的影响。NTP在使用过程中尤其需要注意的是颗粒的分散、聚沉所带来的影响。

相关成果以“Paraffin wax with an addition of nano Ti2O3: Improve thermal and photothermal performances with little decreased latent heat”为题，发表在国际能源领域权威期刊《Solar Energy》（IF=7.188）上。

研究内容

研究人员通过研磨CTP粉末获得NTP，将NTP以不同质量分数添加到熔融PW（333K）中，在333K温度下搅拌5小时，最后将复合PCM在水浴超声振荡器中下保持6小时，室温下冷却，合成了五个不同质量分数的样品。测量了纳米Ti 2O 3颗粒的尺寸、太阳反射率和形貌并研究复合PCM的热性能、形貌和光热性能。结果表明，与粗Ti 2O 3相比，纳米Ti 2O 3颗粒在吸收可见光方面表现出更优异的性能（接近98%）。对于复合PCM，纳米Ti 2O 3颗粒被石蜡覆盖并均匀分散。低于20%质量分数的纳米Ti 2O 3颗粒不仅显著提高了导热性能，且对潜热抑制不明显。纳米Ti 2O 3颗粒的加入能够实现至少10%的热导率增强和70%的光热转化率。其中，质量分数为9%是最佳掺杂比，相较于纯PW，热导率提高37.8%，光热转化率提高76.96%，而潜热仅降低5.3%。此外，9 wt%掺杂时的聚沉影响也是可接受的。该研究表明，纳米Ti 2O 3是一种理想的光热增强添加剂，是有机PCM提高光热转化与存储能力的良好选择。

研究数据

图1. 具有不同质量分数的复合PCM外观。

图2. 光热转换实验示意图。

图3.（a）~（c）CTP的形貌；（d）~（f）NTP的形貌。

图4. 用DLS测试的NTP的大小（用超声波仪将颗粒分散在乙醇溶剂中）。

图5. CTP和NTP的太阳反射率。

图6. NTP和复合PCM的SEM图像；（a） 和（b）是分散在乙醇溶剂中的NTP的SEM；（c） 和（d）是复合PCM的SEM。

图7. (a) 样品的DSC曲线；(b) 样品的潜热。

图8. 材料的导热性。

图9. 光热转换实验。

图10. 光热转换测量(a) 光热转换的温度曲线；(b) 复合PCM的光热转换率。

https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.09.052

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