纳米粒子形态对纳米粒子比热的影响外文翻译资料

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纳米粒子形态对纳米粒子比热的影响

Hamed Riazi , Sara Mesgari, Noor A. Ahmed, Robert A. Taylor

澳大利亚悉尼新南威尔士大学机械和制造工程学院

摘要：通过纳米颗粒分散来提高熔盐的比热容已经成为降低用于聚集太阳能热电厂的热存储的资本成本的手段，从而实现更便宜的太阳能电力。尽管一些研究显示纳米尖的比热增加了近30％，但其他研究报道了相似幅度的降低。为了解释文献中报道的差异，本研究调查了各种纳米颗粒形态和制备方法对纳米凝胶比热的影响，尚未系统地探索。迄今为止，初始分散的程度和分散稳定性仅在文献中特别报道。在本研究中，表面化学和超声能量在制备过程中是独立控制的。通过控制这两个因素，纳米颗粒中比热的变化，本研究的结果表明，通过制备具有独特纳米颗粒的最佳纳米盐，纳米颗粒的比热增强高达18％。

关键词：纳米流体；太阳盐；比热容；热能储存

1.背景

分散在盐或纳米盐中的纳米颗粒已经成为增强熔盐的液相线比热容的手段，其通常用于中高温热能储存（TES）系统。 TES系统在太阳能集中热（CST）工厂中发挥着重要作用，因为它提供了可调度性 - 允许在白天储存过多的热量 - 从而有利地延长了高峰日照后的峰值产量。这既提高了科技委的经济可行性，也更好地将可再生能源供应与需求保持一致。根据系统的容量，热存储可占工厂总资本成本的10-30％[1,2]。目前，热储存是最不发达的太阳能热部件，只有少数CST系统在全球范围内纳入了TES [3]。因此，它是研究和开发以及潜在成本降低的主要领域[1]。自2010年以来，研究人员提出，通过添加纳米粒子可以提高熔盐的比热容，从而创造更有效的TES系统[4]。

已经提出了基于混合理论的简单分析模型来计算纳米流体的有效比热。 基于这些，很明显，当添加纳米颗粒时，对于大多数基础流体应当产生较低的有效比热值。 这是因为与流体相比，大多数固体（包括纳米颗粒）具有相对低的比热值。分子液体，水和油的实验研究证实了这种行为并且已经显示出水和基于乙二醇的纳米流体的特定热量的减少在2-45％减少之间变化，这取决于所使用的纳米颗粒的类型和浓度[5-12]。 然而，表1中总结的一些最近的研究表明，当纳米颗粒与液相盐混合时，确实可以增强，因为它们具有流体中发现的一些最低比热容。Shin和Banerjee [13]提出了一种基于其建议的特定热增强机制来计算纳米尖的比热的新模型[14]。 该模型考虑了基础流体的质量分数和比热值，即熔融盐，纳米颗粒和围绕纳米颗粒的液体分子的半固体层。 据信半固体层或压缩层的比热值比块状熔融盐高几倍。 由于纳米盐中存在高纳米颗粒表面积，半固体层的总贡献对纳米盐的总有效比热产生显着增强。这个模型写成[13]：

其中Cp是比热，q是密度，V是体积分数。 下标ns，np，c和f表示纳米盐，纳米颗粒，压缩层和熔融盐的体相的特性值。 熔融盐和纳米颗粒的热物理性质值（密度和比热容）可以从文献中获得。压缩层的值尚未得到证实，但Shin和Banerjee [13]提出了这一点压缩层的比热应该假定为熔盐比热的4倍 - 相当于固体盐熔点的比热值。然而，该值通过绝热扫描量热计测量熔盐的比热来表示，其也可以解释熔融阶段期间的熔化热。 在同一项研究中，分子动力学（MD）模拟表明，该层的平均厚度约为1纳米，用于计算压缩层体积，尽管它对于不同的颗粒和熔盐可能会有显着差异。 使用这些值，Shin和Banerjee [13]表明，Eq。 （1）与他们的实验结果很好地吻合。 为了能够使用Eq。 （1）对于不同的纳米尖端，需要很好地理解分散程度和压缩层的特性（其厚度和比热）。

表1总结了迄今为止在文献中报道的纳米鎓的所有比热测量值。 尽管大多数研究表明比热的增强是可能的，但有些研究表明与纯熔盐相比有所降低。

大多数研究使用Shin和Banerjee [15]提出的两步水混合方法来合成纳米尖。 在该方法中，首先将纳米颗粒与蒸馏水中的盐混合，然后将其超声处理（通过浴或探针超声波仪）以确保均匀分散。 超声处理100-120分钟后，将水溶液置于热板上以蒸发水。 在70-200℃之间的温度下加热后，获得纳米级的干粉样品。

尽管文献中已经遵循了这一一般过程，但已经报道了各种（有时相互矛盾的）结果。制备中有几个重要的步骤，包括初始颗粒合成方法，在一些文献中忽略或不一致地控制，这些文献可能在纳米盐的有效比热中起重要作用。例如，不同的研究人员从几个不同的制造商处采购纳米粒子，这表明研究开始时具有多种形态特征，这将影响它们的分散性和特定的热量结果。我们还假设其他几个准备步骤，包括超声处理时间/强度和干燥时间/回火温度，对于控制以获得一致的结果至关重要。最终目的是在纳米盐中制备稳定，均匀的纳米粒子分散体，目前尚不清楚所有先前的研究是否成功。本研究调查了各种制备问题对所得纳米盐形态的影响，以证明与报告的结果相比，这些问题对有效药物的比热有多大影响。

1.1. 纳米粒子中纳米粒子的稳定性

在液相线温度以上，盐是非挥发性液体，由与阴离子偶联的阳离子组成[25,26]。 它们的离子键比分子流体中的范德瓦尔斯力强得多，使它们在纳米尺度上具有不同的结构[27]。 与研究文献中经常讨论的低温离子液体（IL）相比，用于制备纳米尖的盐具有更小的离子，这导致更高的熔点和分解温度，这对TES系统是有益的。

虽然这些液体的操作温度是非常理想的，但它们的高离子强度会屏蔽静电荷稳定力，这通常用于使纳米粒子在分子液体中稳定[28,29]。 这对纳米尖端产生了稳定性挑战，因为常见的水分散方法不一定适用。 尽管静电力不能用于IL中的分散稳定性，但还有其他可用的力[30,27]。 Ueno和Watanabe [27]讨论了ILs中的胶体稳定性，他们确定了可以在IL-固体界面上利用的两种力：（a）基于IL的空间力和（b）基于IL的溶剂化力。

空间力是由于庞大的IL离子强烈吸附到颗粒表面，阻止了接近和聚集。对于高电荷或极性可能的颗粒表面，预计空间力最强。基于IL的溶剂化力类似于水合力[31]，但延伸 距离更远。这些力能够稳定粒子以抵抗IL中的吸引范德华力。然而，Smith等人的研究。 [32,33]（使用静态和温度依赖性光散射测量）已经表明，二氧化硅颗粒在IL中的长期稳定性主要是由于溶剂化力。因此，溶剂化力也可以在纳米尖端的颗粒稳定性中发挥重要作用。然而，到目前为止，尚未研究溶剂化力对具有较小离子的熔盐中的颗粒稳定化的有效性，与ILs相比，在高温下仍然存在。图1说明了分子液体和熔融盐中胶体稳定化的示意图。

纳米颗粒中纳米颗粒分散体的稳定性可以解释文献中关于测量的纳米盐比热的一些差异。基于Eq。 （1）较小的纳米粒子由于其较高的表面积而应该引起较高的增强。然而，Dudda和Shin [21]报道的结果与他们发现更大的纳米颗粒导致更高的增强作用相矛盾。另一方面，Tiznobaik和Shin [18]报道了固定百分比的增强，而不管纳米粒子的大小。由于在高熔点盐的熔融相中不能测量纳米颗粒簇尺寸，因此在这些研究中纳米颗粒分散的程度不明确。群集可能导致压缩层体积显着不同，从而导致不同的增强。在另外两项研究[20,22]中可以看到另一个差异，其中使用13nm Al 2 O 3纳米颗粒研究了NaNO 3 -KNO 3（60:40）共晶盐。第一项研究显示，通过添加1wt％Al2O3纳米颗粒，比热增强5.9％，后者显示减少1.25％。这两项研究之间的一个主要区别是获得的纳米颗粒的制造商 - 如表1所示 - 由于它们在形态上的原始差异，这也可能导致纳米颗粒的不同稳定性能。

鉴于文献报道的各种结果，本研究旨在研究颗粒形态和分散对纳米盐比热容的影响。 为了涵盖文献报道的范围，选择了三种不同形态的二氧化硅纳米颗粒，并添加到最常研究/使用的二元共晶盐中，称为太阳盐（NaNO3：KNO3），一种介质， 已用于商业蓄热系统。 二氧化硅纳米粒子已经以1wt％的浓度使用以制备纳米片，因为文献中的大多数研究已经报道了在具有1wt％浓度的二氧化硅的纳米硅的比热下实现最佳制定。

表 1

用两步水相法制备的文献中测量的熔体比热概述。

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