Solar Energy|混合MXene/C-dot纳米流体直接吸收太阳能集热器的腐蚀分析及性能研究

研究背景

能源危机和碳排放是当前人类面临的主要挑战。在所有可再生能源中，太阳能因其丰富、易于获取和能源转换方面的灵活性而具有更大的意义。近年来，许多研究聚焦于直接吸收式太阳能集热器（DASC）。在DASC中，入射太阳辐射直接穿过工作流体。该流体具有较高的光热转换效率，有助于能量转换过程。DASC不需要中间吸收器表面，因为传热流体（HTFs）可以直接用于加热应用。具有高光吸收率和高稳定性的纳米流体是DASCs的理想选择。与常规纳米流体相比，碳量子点（C-dot）纳米流体具有更高的光学吸收率和稳定性。然而，碳量子点的导热性和紫外-可见吸收光谱窄是制约其应用的主要缺陷。而MXene纳米流体表现出较好的热性能和显著的近红外吸收，但稳定性相对较低。因此，碳量子点和MXene的混合纳米流体由于其协同特性可以优于单个纳米流体。据作者所知，迄今为止还没有对MXene/C-dot混合纳米流体的光学应用进行过研究。本研究合成了一种MXene/C-dot混合纳米流体，并将其应用于DASC中。以去离子水、MXene、C-dot和MXene/C-dot混合纳米流体作为传热流体，对直接吸收抛物面槽式集热器（DAPTC）进行了实验研究。基于光热效率、导热系数和流体稳定性对纳米流体的浓度进行优化。基于能量和熵产分析对纳米流体基DAPTC进行了评价。对电极在混合纳米流体、单个纳米流体和基液中的腐蚀进行了分析。

相关内容以“Corrosion analysis and performance investigation of hybrid MXene/C-dot Nanofluid-Based direct absorption solar collector”为题，发表在《Solar Energy》（IF=6.7）上。

研究结论

本文首次研究了MXene、碳量子点和混合纳米流体在DAPTC中的光热应用。制备不同的纳米流体并对其进行了热光学、稳定性和腐蚀表征。根据太阳能吸收率、导热系数和稳定性降解率对纳米流体的浓度进行了优化。计算出c点、MXene和混合纳米流体的最佳浓度分别为0.15、0.1和0.15 wt%。 太阳加权吸收研究表明，C-dot纳米流体在紫外光谱范围内表现出吸收，而MXene纳米流体的吸收在可见光和近红外光谱范围内达到峰值。 MXene/C-dot混合纳米流体表现出C-dot和MXene纳米流体互补的光谱吸收特性。 MXene/C-dot对太阳吸收率较高的主要原因是由于C-dot的杂化导致MXene表面缺陷的产生。 这些杂质缩小了杂化材料的能带隙，使其吸收范围更广。

对纳米流体进行的腐蚀和稳定性分析表明，与去离子水和C-dot纳米流体相比，混合纳米流体对铜的腐蚀较小。混合纳米流体中铜试样的耐腐蚀性是C-dot和去水的两倍。造成这种现象的主要原因是MXene/C-dot在电极上的氧化保护层比C-dot具有更高的防腐性能。Tafel斜率表明，混合纳米流体中铜的腐蚀速率最小，年腐蚀量为0.6 mm/年，与去离子水相比，腐蚀效率为64.5%。在喀拉拉邦Calicut室外气候条件下对DAPTC进行了实验研究。基于热效率和熵产分析对系统性能进行了分析。混合纳米流体和C-dot纳米流体在0.2 lpm流速下的热效率最高，分别为47.5%和50.5%。结果表明，热导率、稳定性对光热效率的提高起作用，而不是一个主导参数。对DAPTC的火能研究表明，混合、MXene和C-dot系统的熵产分别约为4.5、3.78和4.43 WK -1。 混合纳米流体、C-dot纳米流体和MXene纳米流体的熵产主要是由于光热能量转换产生的不可逆性，而去DI水由于光热效率较差，热损失产生的熵产要高得多。 简而言之，本研究表明，与其他纳米流体和基液相比，混合MXene/C-dot纳米流体具有优异的热稳定性、提高的耐腐蚀性和显著的光热转换效率，在DASC传热流体的应用中具有很大潜力。

研究数据

图1. 混合MXene/ 碳量子点纳米材料的合成方法。

图2.(a)电化学分析用腐蚀池示意图，(b)实际腐蚀池，(c)电化学工作站。

图3. 0.01% wt%纳米流体和基液的太阳吸收光谱。

图4. (a) 碳量子点 (b) MXene和(c) MXene/ 碳量子点纳米流体的太阳加权吸收率、导热系数和稳定性退化图，以及(d)纳米流体在最佳浓度下的优化值

图5. C-Dot和MXene/C-Dot纳米流体与去离子水不同暴露时间的EIS曲线。

图6. 0.01 Hz时C-Dot和MXene/C-Dot纳米流体中铜的阻抗值随暴露时间的变化。

图7. 在流量为0.6 lpm时，不同工质的DAPTC热效率。

10.1016/j.solener.2024.112317

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