近幾十年來，日益嚴重的汙染和能源短缺使得研究人員開始關註可再生能源。太陽能作為一種對環境友好、成本低廉的可再生能源，因其資源豐富和經濟優勢而發展迅速👩🏻🚀。在太陽能的各種應用中🎏，通過將吸收的太陽能轉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🧑🧑🧒，並將其轉化為熱能。與傳統的基於表面的太陽能集熱器相比，DASCs由於其較低的熱損失和較高的光熱轉換效率，具有廣泛的應用潛力。但常規流體的光吸收能力較低👨🦯👨🏿🎨，限製了DASCs的發展。後來。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🥚🥝。目前🚴🏼♂️，納米流體在中溫領域的應用研究較少🧑🏻🏭。低比熱容的液體在相同的太陽輻射下可以達到更高的溫度，這擴展了納米流體在中溫領域下的應用。近日📈🪼，上海先進熱功能材料工程技術研究中心的研究團隊提出將尿素/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具有較高的沸點和較小的比熱容，在DASCs中表現出更好的光熱性能🤦🏼。采用加熱法製備DES👨🏼🦳🧑🏽💻，其光熱轉換率能達到56.9%，比水和乙二醇(EG)的光熱轉換率分別高出36.4%和11%。實驗研究表明，40 ppm DES基石墨烯納米流體的光熱轉換效率高達94.3%，當太陽輻射提高到2000W•m-2時，其最高溫度可達115℃🌞。此外，DES基石墨烯納米流體表現出極大的穩定性🌁，在45天內不會發生沉澱⤴️。這些研究驗證了DES基石墨烯納米流體具有較高品位能🖨，從而擴大了低共熔溶劑基納米流體的應用範圍。
圖1.DES和納米流體的製備過程
圖2.光熱轉換實驗測試系統
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定性測試
圖5. DES基石墨烯納米流體光學性能測試
圖6. DES基石墨烯納米流體粘度測試
圖7. 1000W•m-2下DES基石墨烯納米流體光熱性能測試
圖8. 2000W•m-2下DES基石墨烯納米流體光熱性能測試
傳統的納米流體在DASCs中存在比熱容大和容易顆粒聚集的缺點📩，這是造成光熱效率低的重要原因🐮。本文以高沸點🚹、穩定性好、比熱容小的尿素/氯化膽堿DES為納米流體基液🔜，其表現出了優異的光熱性能。製備了不同質量濃度(0ppm📱、10ppm⏭、30ppm🧖♂️、40ppm㊗️、50ppm、100ppm)的DES基石墨烯納米流體🚴🏼♂️，並對其性能進行了測試。主要研究結果如下:(i)純DES的光熱效率比水的光熱轉化率高36.4%🚣🏽♂️。這是因為DES的比熱容較小，在相同的熱量下，它能達到更高的溫度☝🏽。此外，與水和EG相比，DES的平衡溫度也最高，可達45.4℃。(ii)石墨烯的加入提高了DES的光熱轉換效率。40ppm石墨烯納米流體的光熱轉換效率最高，為94.3%。特別是當太陽輻射為2000W•m-2時👩🏼🎨♌️，40ppm石墨烯納米流體的最高溫度可達116°C。這為納米流體在高溫下的應用提供了一條可行的途徑。(iii)DES基石墨烯納米流體45天前後的透射光譜表明，DES基石墨烯納米流體保持了良好的穩定性，幾乎沒有納米顆粒的沉積和團聚👨🏻🚀。這些研究證明了DES基石墨烯納米流體在DASCs上應用的潛力♣︎。
該成果以“Graphene-based deep eutectic solvent nanofluids with high photothermal conversion and high-grade energy”為題發表在中科院一區TOP期刊Renewable Energy上☄️，沐鸣平台碩士研究生高婧瓊為第一作者，沐鸣於偉教授和西安交通大學化學與工程沐鸣Omid Mahian教授為共同通訊作者。