成都理工大学研究生院，成都理工大学研究生院官网
第一作者：文劲（成都理工大学）
通讯作者：李小可副教授（成都理工大学）
DOI：https://doi.org/10.1016/j.renene.2023.02.095
成果简介
成都理工大学李小可课题组研究团队在国际知名期刊《Renewable Energy》（工程技术1区 Top，IF = 8.634）在线发表了题为“The enhanced photothermal characteristics of plasmonic ZrC/TiN composite nanofluids for direct absorption solar collectors”的研究论文。通过两步法成功制备了ZrC/TiN二元混合纳米流体。首先采用时域有限差分(FDTD)方法对ZrC/TiN纳米粒子的复合光学特性进行了数值模拟。然后测定了该混合纳米流体的光学吸收性能。最后，采用两种入射模式评价ZrC/TiN混合纳米流体在直接吸收式太阳能集热器（DASCs）系统中的应用潜力。该项工作为扩大低维混合纳米流体在光热转化性能的应用中提供了新的思路与可行的策略。
引言
随着人口的爆炸式增长和工业化进程的加剧，开发和利用清洁和环境友好型可再生能源变得尤为必要。目前人类可利用的可再生能源包括太阳能、风能、地热能和生物质能，其中太阳能因其环境友好、易获取、无污染的特点而受到广泛关注。而基于纳米流体的太阳能光热转换过程已被证明可提高集热器集热效率。本文采用ZrC和TiN纳米颗粒，制备低维复合等离激元纳米流体，增强其光学吸收以提高太阳能光热转换效率。具体来说，采用通过有限差分时域（FDTD）方法数值模拟了ZrC/TiN混合结构的等离激元共振效应。然后，以乙二醇/水混合液为基液，通过两步法制造了ZrC/TiN纳米流体，对纳米流体的稳定性、光学吸收进行了测试和分析。同时，采用了两种光热辐射模式进行光热转换特性的测定。实验结果表明该ZrC/TiN混合纳米流体能够提高太阳能光热效率。
图文导读
图1 ZrC-ZrC和ZrC-TiN体系的FDTD结果(间距δ=1 nm)： (a)吸收截面(Cabs，实线)和散射截面(Cscat，虚线) (b)和(c)两种体系的电场分布。
图2 ZrC-TiN双颗粒体系FDTD模拟结果：不同纳米颗粒距离下(a)消光截面;(b)电场分布。
采用 FDTD 方法研究了 ZrC/TiN 混合体系的等离激元效应与颗粒光学特性。首先建立了 ZrC/TiN 纳米颗粒的简化模型：构造了 ZrC-ZrC 和 ZrC-TiN 两种双粒子体系 ( 颗粒间距为 1 nm) 。可以清楚地从图 1 看出， ZrC-TiN 体系在 553 nm 处出现了一个明显的吸收峰，该吸收峰可归因于 TiN 纳米粒子的等离激元共振峰。同时， TiN 纳米颗粒的存在使得 ZrC-TiN 的吸收率较 ZrC-ZrC 体系显著增强。同时也可以发现 TiN 纳米颗粒主要增强了可见区域的光吸收。图 2 则表达了 ZrC-TiN 体系的消光系数及电场分布随颗粒间距的变化。一般情况下，随着粒子 距离变宽，吸收强度减小。从δ =1 nm 到δ =50 nm ，最大吸收峰的消光截面减小了 13.7% ，等离激元效应产生的吸收峰的位置也随着δ的增加而蓝移。从电场分布也能明显看出，随着距离的增加， ZrC-TiN 纳米粒子中心的电场增强现象也随之减弱。
图3 ZrC/TiN纳米流体光学性能
进一步，采用紫外-可见分光光度计对基液和不同浓度的混合纳米流体的光学性能进行评估。实验结果发现，与基液相比ZrC/TiN纳米流体的光谱辐照度显著提高，特别是在小于900 nm的区域。随着纳米颗粒加载量的增加，覆盖面积在280 ~ 1100 nm范围内迅速扩大，并逐渐向太阳光谱曲线靠拢。这可以用复合纳米颗粒独特的全光谱吸收特性来解释。此外，质量分数为160 ppm的光谱辐照度曲线与太阳光谱曲线几乎重合，可以确定太阳辐射吸收率约为98.5%。同时，从图3(b)可以看出，其中，任何质量浓度的ZrC/TiN纳米流体都能在2.5 cm的穿透距离上吸收90%以上的太阳辐射。上述实验结果证明了在DSACs应用中，ZrC/TiN纳米流体只需要更低的成本和原材料消耗就可以实现有效的光学吸收效果。
图4(a)平行模式和(b)垂直模式的光热模式的示意图
图5不同浓度ZrC/TiN纳米流体在两种光热模式下的光热转换效率。
如图4 所示，采用了两种光热模式对基液、ZrC/TiN 纳米流体的光热转换能力进行评估，一种是传统的平行于重力方向的太阳辐射方向（平行模式），另一种是垂直于重力方向的太阳辐射（垂直模式）。首先，由于等离激元ZrC/TiN 纳米颗粒能够更好地吸收和捕获阳光，只需10 ppm 的ZrC/TiN 混合纳米流体就能将光热转换效率提高4.6%( 平行模式) 和5%( 垂直模式) 。而在平行模式中，下层纳米流体的光热过程取决于上层的热传导，这将导致更高的温度梯度。而垂直模式由于光路入射方式对不同产生了热循环，从而加速了纳米流体的传热，降低了温度壁垒。实验发现最高浓度为160 ppm 的ZrC/TiN 纳米流体，光热转换效率可以达到73.7% ，比平行模式提高了20.2%（图5） 。
作者介绍
第一作者：
文劲，成都理工大学材料与化学化工学院2020级硕士研究生，目前研究内容为太阳能综合利用，微纳材料与太阳能界面蒸发，化工强化传热。邮箱：fowj1996@me.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
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