研究背景

隨著全球人口增長和能源需求上升，開發可再生能源變得迫切。傳統化石燃料的依賴導致了資源枯竭和環境問題，如臭氧層破壞、空氣污染和氣候變化。太陽能作為一種清潔、豐富且可持續的能源，為解決全球能源危機提供了替代方案。太陽能熱利用技術在全球能源轉型中扮演著重要角色。地球表面在短短一小時內接收到的太陽能總量，超過了人類一年的能源消耗。因此，提高太陽能熱利用效率對于實現可持續能源供應至關重要。直接吸收式太陽能集熱器（Direct Absorption Solar Collectors, DASCs）作為一種新興技術，通過直接加熱工作流體，減少了與環境的溫差，從而顯著提高了集熱效率。然而，傳統的工質如油、水和乙二醇等由于其較弱的太陽光吸收能力，限制了DASCs的發展。納米流體因其可調節的光學吸收特性，為DASCs的應用提供了新的希望。

納米流體是一類由納米顆粒分散在傳統工質中形成的新型流體，因其卓越的熱物理性質，如高熱導率、高熱傳遞系數、能量收集與儲存能力、太陽能蒸發和熱擴散率等，顯著提升了DASCs的效率。此外，納米流體對DASC系統設計的微小改動具有較高的敏感性，使其在監測和優化系統性能方面具有重要價值。納米顆粒的添加能夠通過提高熱導率來增強熱傳遞，但保持納米流體的穩定性對于其作為工質的性能和可行性至關重要。研究表明，納米流體在DASC系統中展現出了卓越的熱傳遞能力。

這項研究探索了一種基于rGO/N-CQD復合材料的新型水基納米流體，旨在提高光熱轉換效率。相關成果以“

Advanced Two-Dimensional/Zero-Dimensional Carbon Composite Nanofluids for Enhanced Optical and Photothermal Performance inDirect Absorption Solar Collectors ”為題發表在國際知名期刊《ACS Applied Energy Materials》上。

研究結論

通過溫和的水熱法合成了二維納米結構（rGO）和零維功能納米碳（N-CQD）的復合材料，以評估其在直接吸收式太陽能集熱器（DASCs）中的光熱性能。光學性質分析顯示，rGO/N-CQD60/40納米流體具有最低的透射率和最高的消光系數。在1 cm的穿透深度下，與去離子水（7.32%）、N-CQD（35.32%）和GO（74.77%）相比，rGO/N-CQD60/40的太陽輻射吸收顯著更高（97.97%）。在1個太陽強度下的光熱研究表明，去離子水、N-CQD、GO和rGO/N-CQD60/40的效率分別為40.37%、53.41%、65.73%和82.64%，突顯了rGO/N-CQD60/40納米流體由于其分散穩定性、太陽吸收和光熱轉換性能，在DASCs中的潛力。在不同太陽輻射強度（1-3個太陽）下對太陽能吸收和效率的研究表明，在最低強度（1個太陽）下達到了峰值性能，表明即使在低輻射下也能有效利用太陽能。

研究數據

圖1：RGO/N-CQD復合材料的合成過程的示意圖。

圖2：最佳ANN配置。

圖3：光熱轉換實驗設置的示意圖。

圖4：樣品的表征。

圖5：樣品的xps and mapping。

圖6:（a）N-CQD的AFM圖像，（b）RGO/N-CQD60/40復合材料的（a），（c）和（d）TEM圖像中的線的相應高度曲線。

圖7。（a）GO，N-CQD，RGO/N-CQD 50/50，RGO/N-CQD60/40和RGO/N-CQD70/30納米流體的潛力。 （b）24天內RGO/N-CQD納米流體的吸光度比。

圖8：（a）不同納米流體在0.0500%w濃度下的熱導率（TC）隨溫度變化，（b）N-CQD、rGO/N-CQD60/40、GO納米流體以及去離子水（DI water）的比熱容（Cp），以及（c）實驗數據與人工神經網絡（ANN）輸出對rGO/N-CQD60/40納米流體熱導率（TC）的比較。

圖9：（a）不同納米流體的熱導率（TC）和zeta電位，（b）納米流體中熱傳遞的示意圖，以及（c）rGO/N-CQD50/50、rGO/N-CQD60/40和rGO/N-CQD70/30的透射電子顯微鏡（TEM）圖像。

圖10:（a）透射光譜，（b）消光系數，（c）GO、N-CQD、rGO/N-CQD60/40納米流體和去離子水的光譜太陽輻照度，以及（d）不同納米流體和去離子水的太陽加權吸收分數。

圖11: rGO/N-CQD60/40納米流體在1個太陽光照下的溫度變化曲線（a）無400轉/分鐘攪拌，（b）有400轉/分鐘攪拌，（c）無400轉/分鐘攪拌的rGO/N-CQD60/40的紅外熱像圖，（d）有400轉/分鐘攪拌的紅外熱像圖，（e）納米流體和去離子水的溫度變化曲線，（f）納米流體和去離子水的效率（η），（g）rGO/N-CQD60/40納米流體在不同太陽光照下的溫度變化曲線，以及（h）rGO/N-CQD60/40納米流體在不同太陽光照下的效率（η）。

圖12：（a）rGO/N-CQD60/40納米流體在1個太陽光照下的循環性能，以及（b）每次加熱-冷卻循環后rGO/N-CQD60/40納米流體的太陽加權吸收分數。

研究數據

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

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