ACS Appl. Energy Mater|先进的二维/零维碳复合纳米流体用于增强直接吸收太阳能集热器的光热性能

研究背景

随着全球人口增长和能源需求上升，开发可再生能源变得迫切。传统化石燃料的依赖导致了资源枯竭和环境问题，如臭氧层破坏、空气污染和气候变化。太阳能作为一种清洁、丰富且可持续的能源，为解决全球能源危机提供了替代方案。太阳能热利用技术在全球能源转型中扮演着重要角色。地球表面在短短一小时内接收到的太阳能总量，超过了人类一年的能源消耗。因此，提高太阳能热利用效率对于实现可持续能源供应至关重要。直接吸收式太阳能集热器（Direct Absorption Solar Collectors, DASCs）作为一种新兴技术，通过直接加热工作流体，减少了与环境的温差，从而显著提高了集热效率。然而，传统的工质如油、水和乙二醇等由于其较弱的太阳光吸收能力，限制了DASCs的发展。纳米流体因其可调节的光学吸收特性，为DASCs的应用提供了新的希望。

纳米流体是一类由纳米颗粒分散在传统工质中形成的新型流体，因其卓越的热物理性质，如高热导率、高热传递系数、能量收集与储存能力、太阳能蒸发和热扩散率等，显著提升了DASCs的效率。此外，纳米流体对DASC系统设计的微小改动具有较高的敏感性，使其在监测和优化系统性能方面具有重要价值。纳米颗粒的添加能够通过提高热导率来增强热传递，但保持纳米流体的稳定性对于其作为工质的性能和可行性至关重要。研究表明，纳米流体在DASC系统中展现出了卓越的热传递能力。

这项研究探索了一种基于rGO/N-CQD复合材料的新型水基纳米流体，旨在提高光热转换效率。相关成果以“

Advanced Two-Dimensional/Zero-Dimensional Carbon Composite Nanofluids for Enhanced Optical and Photothermal Performance inDirect Absorption Solar Collectors ”为题发表在国际知名期刊《ACS Applied Energy Materials》上。

研究结论

通过温和的水热法合成了二维纳米结构（rGO）和零维功能纳米碳（N-CQD）的复合材料，以评估其在直接吸收式太阳能集热器（DASCs）中的光热性能。光学性质分析显示，rGO/N-CQD60/40纳米流体具有最低的透射率和最高的消光系数。在1 cm的穿透深度下，与去离子水（7.32%）、N-CQD（35.32%）和GO（74.77%）相比，rGO/N-CQD60/40的太阳辐射吸收显著更高（97.97%）。在1个太阳强度下的光热研究表明，去离子水、N-CQD、GO和rGO/N-CQD60/40的效率分别为40.37%、53.41%、65.73%和82.64%，突显了rGO/N-CQD60/40纳米流体由于其分散稳定性、太阳吸收和光热转换性能，在DASCs中的潜力。在不同太阳辐射强度（1-3个太阳）下对太阳能吸收和效率的研究表明，在最低强度（1个太阳）下达到了峰值性能，表明即使在低辐射下也能有效利用太阳能。

研究数据

图1：RGO/N-CQD复合材料的合成过程的示意图。

图2：最佳ANN配置。

图3：光热转换实验设置的示意图。

图4：样品的表征。

图5：样品的xps and mapping。

图6:（a）N-CQD的AFM图像，（b）RGO/N-CQD60/40复合材料的（a），（c）和（d）TEM图像中的线的相应高度曲线。

图7。（a）GO，N-CQD，RGO/N-CQD 50/50，RGO/N-CQD60/40和RGO/N-CQD70/30纳米流体的潜力。 （b）24天内RGO/N-CQD纳米流体的吸光度比。

图8：（a）不同纳米流体在0.0500%w浓度下的热导率（TC）随温度变化，（b）N-CQD、rGO/N-CQD60/40、GO纳米流体以及去离子水（DI water）的比热容（Cp），以及（c）实验数据与人工神经网络（ANN）输出对rGO/N-CQD60/40纳米流体热导率（TC）的比较。

图9：（a）不同纳米流体的热导率（TC）和zeta电位，（b）纳米流体中热传递的示意图，以及（c）rGO/N-CQD50/50、rGO/N-CQD60/40和rGO/N-CQD70/30的透射电子显微镜（TEM）图像。

图10:（a）透射光谱，（b）消光系数，（c）GO、N-CQD、rGO/N-CQD60/40纳米流体和去离子水的光谱太阳辐照度，以及（d）不同纳米流体和去离子水的太阳加权吸收分数。

图11: rGO/N-CQD60/40纳米流体在1个太阳光照下的温度变化曲线（a）无400转/分钟搅拌，（b）有400转/分钟搅拌，（c）无400转/分钟搅拌的rGO/N-CQD60/40的红外热像图，（d）有400转/分钟搅拌的红外热像图，（e）纳米流体和去离子水的温度变化曲线，（f）纳米流体和去离子水的效率（η），（g）rGO/N-CQD60/40纳米流体在不同太阳光照下的温度变化曲线，以及（h）rGO/N-CQD60/40纳米流体在不同太阳光照下的效率（η）。

图12：（a）rGO/N-CQD60/40纳米流体在1个太阳光照下的循环性能，以及（b）每次加热-冷却循环后rGO/N-CQD60/40纳米流体的太阳加权吸收分数。

研究数据

https://doi.org/10.1021/acsaem.5c00938

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