近幾十年來，日益嚴重的污染和能源短缺使得研究人員開始關注可再生能源。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，并將其轉化為熱能。與傳統的基于表面的太陽能集熱器相比，DASCs由于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，限制了DASCs的發展。后來。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。采用加熱法制備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天內不會發生沉淀。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范圍。
圖1.DES和納米流體的制備過程
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。制備了不同質量濃度(0ppm、10ppm、30ppm、40ppm、50ppm、100ppm)的DES基石墨烯納米流體，并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天前后的透射光譜表明，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，上海第二工業大學碩士研究生高婧瓊為第一作者，上海第二工業大學能源與材料學院于偉教授和西安交通大學化學與工程學院Omid Mahian教授為共同通訊作者。