INT J HEAT MASS TRAN|成都理工大学李小可课题组：具有LFPs共振的低维等离激元纳米流体增强光热转换的机制

第一作者：杨锐（成都理工大学）

通讯作者：李小可副教授（成都理工大学）、敬登伟教授（西安交通大学）

第一通讯单位：成都理工大学材料与化学化工学院

DOI：

10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124056

成果简介

成都理工大学李小可课题组与西安交通大学敬登伟教授合作，在传热传质领域国际权威期刊《International Journal of Heat and Mass Transfer》发表了题为“The mechanism of enhanced photothermal conversion of low-dimensional plasmonic nanofluids with LFPs resonance”的研究论文。本研究首先采用时域有限差分(FDTD)方法对TiN/MWCNTs纳米粒子的复合光学特性进行了数值模拟。通过砂磨法和超声震荡相结合的方法制备了稳定的TiN/MWCNTs纳米流体，并测定了该杂化纳米流体的光学吸收性能和导热性能。同时，采用垂直于重力方向的太阳辐射研究了TiN/MWCNTs纳米流体的光热转换过程。该工作提供了一种独特的解决方案来拓宽纳米流体的光谱吸收并增强纳米流体的光热转换。

TiN/MWCNTs纳米流体的实验示意图

研究背景

使用清洁和可再生能源已成为世界未来的发展方向。太阳能作为一种有前途的可再生能源，其具有广泛性、可持续性和环境友好性。到目前为止，太阳能主要以光电转换、光化学转换和光热转换的形式利用。其中，光热转换是最简单的太阳能利用形式。在光热过程中，工作介质的选择至关重要。研究表明，向基液中添加少量的纳米粒子就可以显著改善流体的光热转化性能。氮化钛（TiN）纳米颗粒具有类似贵金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振（LSPR）效应，且生产技术成熟，成本低，被广泛的运用于太阳能光热转换领域。碳纳米管(MWCNTs)作为一种一维纳米材料，由六边形结构完美连接构成，具有许多优异的力学，电学，以及光学性能。因此，利用低成本TiN纳米粒子的LSPR效应，再结合MWCNTs的光热转化特性以获得太阳光的宽带吸收，是提高太阳能集热器光热转化能力的一种有效方法。

研究亮点

本文聚焦太阳能光热利用的前沿问题，采用非传统低成本等离激元材料TiN与高导热材料MWCNTs构建新型集热介质流体——TiN/MWCNTs纳米流体，采用模拟分析和实验探究相结合的科学方法探究纳米流体的光热转化特性。文章首次提出了低维等离子体纳米流体的概念，并从声子传热的角度解释了增强其光热转换性能的机理。

图文导读

图1. TiN/MWCNTs复合材料的FDTD模型（r代表TiN纳米颗粒的半径。）

图2. TiN/MWCNTs系统的FDTD数值模拟结果：(a)和(b): 水平振动模式下的数值模拟结果；(c)和(d): 垂直震动模式下的数值模拟结果

采用FDTD方法研究了TiN/MWCNTs混合体系的等离激元效应与颗粒光学特性。首先建立了TiN/MWCNTs纳米颗粒的简化模型（图1）。从图2所示的模拟结果可以看出，多个TiN纳米粒子产生的耦合LSPR共振效应可以增强对光的吸收，共振加强强度也随颗粒间距变小而增强。同样地，研究了TiN纳米颗粒大小对光吸收性能的影响。分析结果表明，在一定范围内增加纳米粒子的尺寸可以有效地提高光学吸收性能。因此，采用低维等离子体纳米结构（TiN/MWCNTs）可以有效提高光谱吸收的强度和宽度。

图3. 不同纳米流体（R0~R5）的导热率

图4. 具有一维MWCNTs和零维TiN纳米颗粒的LFP模式示意图

其次，采用实验的方法研究了纳米流体的导热率，结果表明在MWCNTs纳米流体中继续加入纳米TiN所形成的纳米流体的导热性能明显提高（图3），这是由于纳米TiN颗粒和MWCNTs之间的低频声子（LFP）共振效应造成的。在纳米TiN表面可以产生大量的LFP模式，这可能会诱发MWCNTs中的C原子的LFP振动，从而激发更多的长波声子（图4）。因此，此低维复合结构可以提高体系的热传导能力。

图5. (a)平行模式和(b)垂直模式的光热转换模型示意图

图6. TiN/MWCNTs纳米流体的 (a) 能量吸收；(b)温升和光热转换效率的比较。

如图5所示，采用了垂直于重力方向的太阳辐射（垂直模式）对基液、TiN/MWCNTs纳米流体的光热转换能力进行评估。由于TiN/MWCNTs的LSPR效应和出色的声子传输能力，它能更有效地捕获太阳辐射并将其转化为热能。从图6中可以看出，光热转换效率的规律与温升的规律是一致的，都是随着纳米流体浓度的增加而呈现先增加后减少的趋势。具体来说，单组分MWCNTs纳米流体的光热转换效率为55.4%，相对于基液增加了6.1%。同时，随着纳米TiN的加入，R1的效率达到68.1%。并且随着TiN纳米颗粒含量的增加，R4的效率达到了最大为76.4%，比基液提高了54%。以上实验结果证明了TiN/MWCNTs混合纳米流体的优良光热转换能力。

作者简介

第一作者：

杨锐，成都理工大学材料与化学化工学院2022级硕士研究生。邮箱:youngrui1999@163.com

通讯作者：

李小可，成都理工大学材料与化学化工学院副教授，硕士生导师，博士后，主要从事太阳能光热转换与传热传质基础相关领域的研究，截止目前在《Environmental & Energy Materials》，《SmartMat》，《Energy》，《Internal journal of heat and mass transfer》等国际权威期刊共发表论文40余篇，总他引次数超过1000次，H指数为15，并有多篇论文入选ESI热点论文和高被引论文。邮箱：xiaokeli319@126.com

敬登伟，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室教授，博士生导师，英国皇家学会牛顿高级学者，长期围绕能源转化系统中的微纳尺度多相流及其与复杂物理场、化学场的耦合机制进行研究。在Nature子刊《自然·通讯》及Physics of Fluids、Physical Review Fluids、AIChE J.、Chem. Eng. Sci.、Ind. Eng. Chem. Res.、Solar Energy、Int. J. Heat Mass Transfer、Appl. Phys. Lett. 等领域知名期刊发表SCI检索论文150余篇，出版英文专著2部，公示及授权发明专利30余项，2项PCT国际专利、1项美国专利。研究成果被包括加州理工学院、加州大学伯克利分校等国际著名高校学者SCI他引5000余次，h因子37，10余篇论文先后入选ESI高引论文。邮箱：dwjing@mail.xjtu.edu.cn