CN103923620A - 基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法 - Google Patents

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陶鹏
尚文
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徐昊
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Abstract

本发明涉及基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,该方法是将具有等离子共振吸收特性的纳米颗粒,通过纳米粒子表面修饰、在热储存材料基体中可控分散步骤将纳米颗粒均匀分散到储热材料基体中制备纳米复合储热材料。与现有技术相比,本发明可直接将电磁波转化为热能,在不改变储热材料优良热物性的前提下,实现了对储热材料快速均匀高效的加热。

Description

基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于功能性纳米复合材料的制备和应用技术领域,尤其是涉及一种基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法。
背景技术
热能储存是能源科学技术的重要组成部分。储能技术可解决能量供求在时间和空间上不匹配的矛盾,因而它是提高能源利用率的有效手段。热能储存在工业和民用中用途广泛,在储能技术领域占有极其重要的地位。太阳能具有巨大能量性、全球分布性、和清洁性的特点,充分利用太阳能也成了当前发展热点。热储存材料对开发和有效利用可再生能源太阳能至关重要。
传统的基于热传导机制储热材料因为存在导热系数小的缺点而影响限制了其热储存速率和效率。在现有的储能材料及技术中,人们选择向储热材料中加入热导率较高的金属材料或者石墨、碳纳米管等以提高材料整体导热率,藉以改善充热速度及其加热均匀性。有效提高储热材料的导热率需要大量的添加物,这往往会牺牲基体储热材料的本事优良性能,同时也大大增加了成本。同时,当前基于热传导充热机制的热储存材料,一般都无法直接吸收太阳能并将其转化为热能,而是先将太阳能转换成热能,再通过热传导对储热材料进行充热,导致最终的光热转换效率低下,且充热速度及均匀性均不理想。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光热能转化效率极高,热储存效率好的基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,将具有等离子共振吸收特性的纳米颗粒均匀分散到储热材料基体中制备纳米复合储热材料,具体是通过纳米粒子表面修饰、在热储存材料基体中可控分散制备得到,采用以下步骤:
(1)表面修饰工艺:将具有电磁波吸收特性的纳米颗粒均匀分散至溶剂中,再向上述混合溶液加入表面修饰活性剂,经离心得到沉淀后用溶剂冲洗,最后重新分散到溶剂中;
(2)分散工艺:将储热材料基体加热熔化至液态,或者向液态的储存材料基体中加入步骤(1)制备的溶液,持续加热搅拌直至溶剂挥发完毕,然后冷却到室温,即得到基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料。
所述的具有电磁波吸收特性的纳米颗粒为具有电磁波吸收特性的金属或其合金或非金属无机物的纳米颗粒,包括金、银、铂或其合金、石墨,碳纳米管、石墨烯或硒化铅。纳米颗粒尺寸为广泛意义上纳米材料,粒子形貌可以为球形、棒状、三角形、管状、片状等,粒子的结构包括单一化学成分以及核壳结构等。
所述的储热材料基体对电磁波的散射小,为透明的有机热储存材料或无机盐类热储存材料。作为优选的实施方式,透明的有机热储存材料为透明石蜡、有机硅油或植物油,无机盐类热储存材料为硝酸钠、硫酸钠或混合的氯化钠和氯化钙。
步骤(1)中所述的溶剂为水、乙醇、异丙醇、甲苯、氯仿、四氢呋喃或正己烷。所述的表面修饰活性剂为因热储存基体材料性质而异,为带水溶性电离羧酸根的硫醇、油溶性脂肪族硫醇配体或与储热材料基体化学成分和结构相近的分子或者高分子。
作为优选的实施方式,所述的带水溶性电离羧酸根的硫醇为11-疏基十一烷酸或者巯基-聚乙二醇,所述的油溶性脂肪族硫醇配体为以正十二硫醇为代表的烷烃硫醇,所述的与储热材料基体化学成分和结构相近的分子或高分子为与透明石蜡相近似的油酸或油胺或与有机硅油相近似的末端带有羧基或巯基的聚二甲基硅烷高分子或聚甲基苯基硅烷高分子。此类表面修饰剂一方面其末端基团与纳米粒子表面之间的吸附或键合作用强,同时又与储热材料基体化学成分相似,有效地降低了纳米颗粒之间的相互吸引作用,保证了纳米颗粒在基体中的均匀分散。制备得到的热储存复合材料利用含有的纳米颗粒的光热转换进行快速均匀充热:当电磁波照射到纳米复合储热材料时,均匀分布的纳米颗粒吸收电磁波,并将其转换为热能,所产生的热量向其周围储热介质中传导,对储热材料进行快速均匀充热。
所述的电磁波为激光波,可见光波,太阳光,红外光波或微波。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)采用纳米颗粒的电磁波吸收效应将光能转化为热能,转化效率极高,可接近100%,因而所制备的纳米复合材料的热储存效率高。
(2)本方法由于电磁波吸收纳米颗粒均匀分布,故加热均匀性较好。
(3)基于纳米粒子对电磁波吸收的复合热储存材料,可以实现对可再生能源太阳能的直接吸收和存储。
(4)因为纳米材料的小尺寸效应和对电磁波的有效吸收,故少量甚至微量的纳米粒子即可显著提高储热性能,具有低成本优势。
附图说明
图1为等离子体纳米金颗粒的透射电镜图;
图2为激光和太阳光照射下纳米复合储热材料表面平均温度随时间的变化关系图:
图3为激光和太阳光照射下传统基于热扩散的储热材料表面平均温度随时间的变化关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
(1)金纳米颗粒的制备
按照配方要求将HAuCl4超声溶解在甲苯里,加入部分油胺,加热并搅拌,再通以氮气气氛以及冷水回流,反应完全后,向混合溶液中加入甲醇正己烷混合溶液并高速率离心,除去上清液,将所得纳米颗粒重新分散在甲苯里,纳米颗粒粒径约为8±1nm,其透射电子显微镜照片如图1所示。
(2)纳米复合储热材料的制备
(3)将透明的石蜡储热材料加热融化,加入一定量的金溶液并伴随搅拌,并持续加热一段时间,以使甲苯充分挥发。经冷却后获得金纳米颗粒均匀分布的纳米复合储热材料。
(4)利用纳米金颗粒的光热转换来对储热材料进行快速均匀充热
(5)将纳米复合储热材料加入玻璃比色皿中,分别用波长532nm的绿激光和标准强度为1000w/m2的模拟太阳光照射纳米复合储热材料,其表面平均温度变化示于图2。在激光持续照射200秒后,纳米复合储热材料表面温度迅速上升至约35℃,实现了对储热材料的快速充热。在10分钟后,停止激光照射,纳米复合热储存材料温度迅速降低,实现了储热的快速放热。在模拟太阳光的照射下,纳米复合热储存材料的表面温度在1分钟内从16℃上升至70℃,实现了对可再生太阳能的快速转换与储存。
比较例1
为了突出该技术的优点,将纳米复合材料替代为铝箔包覆在储热材料前端,分别用波长532nm的绿激光和标准强度为1000w/m2的模拟太阳光照射纳米复合储热材料,其表面平均温度变化示于图3。在同样的激光和太阳光照射条件下,基于传统热扩散机制的黑色铝箔包覆的热储存材料的表面温度分别升至25℃和42℃,表现出了更低的升温速率、光热转换和储存效率。从图中可知,采用该技术的金纳米颗粒复合储热材料其加热速度及加热均匀性均显著强于传统基于热传导机制的铝箔包覆的储热材料。
实施例2
(1)金纳米颗粒的制备
按照配方要求将HAuCl4超声溶解在甲苯里,加入部分油胺,加热并搅拌,再通以氮气气氛以及冷水回流,反应完全后,向混合溶液中加入甲醇正己烷混合溶液并高速率离心,除去上清液,将所得纳米颗粒重新分散在甲苯里,纳米颗粒粒径约为10±2nm。
(2)金纳米颗粒的表面修饰
向前述获得的金纳米颗粒分散溶液中,加入一定量的末端带有巯基的聚二甲基硅烷高分子,加热并搅拌,并通入氮气进行回流12小时,通过向反应后的溶液中加入甲醇将修饰的金纳米颗粒沉淀,经高速离心后,重新分散在甲苯溶剂中。
(3)纳米复合储热材料的制备
将修饰后的金纳米颗粒与透明的有机硅油储热材料进行搅拌混合,加热一段时间,使甲苯充分挥发。经冷却后获得金纳米颗粒均匀分布的纳米复合储热材料。
(4)利用纳米金颗粒的光热转换来对储热材料进行快速均匀充热
将纳米复合储热材料加入玻璃比色皿中,分别用波长532nm的绿激光和标准强度为1000w/m2的模拟太阳光照射纳米复合储热材料,采取与实施例1相同和相似的手段表征复合材料的热储存性能。
实施例3
基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,将具有等离子共振吸收特性的纳米颗粒均匀分散到储热材料基体中制备纳米复合储热材料,具体是通过纳米粒子表面修饰、在热储存材料基体中可控分散制备得到,采用以下步骤:
(1)表面修饰工艺:将具有电磁波吸收特性的碳纳米管均匀分散至乙醇溶剂中,再将上述混合溶液加入羧基-聚乙二醇表面修饰活性剂溶液中,得到沉淀,经离心后用溶剂冲洗,最后重新分散到溶剂中;
(2)分散工艺:将获得的表面修饰的碳纳米管溶液与有机硅油进行混合,持续加热搅拌直至溶剂挥发完毕,然后冷却到室温,即得到基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料。
制备得到的热储存复合材料利用含有的纳米颗粒的光热转换进行快速均匀充热:当电磁波,例如激光波,可见光波,太阳光,红外光波或微波照射到纳米复合储热材料时,均匀分布的纳米颗粒吸收电磁波,并将其转换为热能,所产生的热量向其周围储热介质中传导,对储热材料进行快速均匀充热。
实施例4
基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,将具有等离子共振吸收特性的纳米颗粒均匀分散到储热材料基体中制备纳米复合储热材料,具体是通过纳米粒子表面修饰、在热储存材料基体中可控分散制备得到,采用以下步骤:
(1)表面修饰工艺:将具有电磁波吸收特性的纳米颗粒,例如硒化铅纳米颗粒均匀分散至氯仿溶剂中,再将上述混合溶液加入表面修饰活性剂油酸溶液中,此类表面修饰剂一方面其末端基团与纳米粒子表面之间的吸附或键合作用强,同时又与储热材料基体化学成分相似,有效地降低了纳米颗粒之间的相互吸引作用,保证了纳米颗粒在基体中的均匀分散,得到的沉淀经离心后用溶剂冲洗,最后重新分散到溶剂中;
(2)分散工艺:将储热材料基体透明石蜡加热熔化,向其中加入步骤(1)制备的溶液,持续加热搅拌直至溶剂挥发完毕,然后冷却到室温,即得到基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料。
制备得到的热储存复合材料利用含有的纳米颗粒的光热转换进行快速均匀充热:当电磁波,例如激光波,可见光波,太阳光,红外光波或微波照射到纳米复合储热材料时,均匀分布的纳米颗粒吸收电磁波,并将其转换为热能,所产生的热量向其周围储热介质中传导,对储热材料进行快速均匀充热。
实施例5
基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,将具有等离子共振吸收特性的纳米颗粒均匀分散到储热材料基体中制备纳米复合储热材料,具体是通过纳米粒子表面修饰、在热储存材料基体中可控分散制备得到,采用以下步骤:
(1)表面修饰工艺:将具有电磁波吸收特性的石墨纳米颗粒均匀分散至四氢呋喃溶剂中,再将上述混合溶液加入末端带有羧基或巯基的聚二甲基硅烷高分子表面修饰活性剂溶液中,得到沉淀,经离心后用溶剂冲洗,最后重新分散到溶剂中;
(2)分散工艺:向透明有机硅油基体中加入步骤(1)制备的溶液,持续加热搅拌直至溶剂挥发完毕,然后冷却到室温,即得到基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料。
制备得到的热储存复合材料利用含有的纳米颗粒的光热转换进行快速均匀充热:当电磁波,例如激光波,可见光波,太阳光,红外光波或微波照射到纳米复合储热材料时,均匀分布的纳米颗粒吸收电磁波,并将其转换为热能,所产生的热量向其周围储热介质中传导,对储热材料进行快速均匀充热。
实施例6
基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,将具有等离子共振吸收特性的纳米颗粒均匀分散到储热材料基体中制备纳米复合储热材料,具体是通过纳米粒子表面修饰、在热储存材料基体中可控分散制备得到,采用以下步骤:
(1)表面修饰工艺:将具有电磁波吸收特性的纳米铂颗粒均匀分散至正己烷溶剂中,再将上述混合溶液加入11-疏基十一烷酸表面修饰活性剂溶液中,得到沉淀,经离心后用溶剂冲洗,最后重新分散到溶剂中;
(2)分散工艺:将储热材料基体硝酸钠加热熔化,向其中加入步骤(1)制备的溶液,持续加热搅拌直至溶剂挥发完毕,然后冷却到室温,即得到基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料。
制备得到的热储存复合材料利用含有的纳米颗粒的光热转换进行快速均匀充热:当电磁波,例如激光波,可见光波,太阳光,红外光波或微波照射到纳米复合储热材料时,均匀分布的纳米颗粒吸收电磁波,并将其转换为热能,所产生的热量向其周围储热介质中传导,对储热材料进行快速均匀充热。

Claims (10)

1.基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,其特征在于,该方法是将具有等离子共振吸收特性的纳米颗粒均匀分散到储热材料基体中制备纳米复合储热材料。
2.根据权利要求1所述的基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,其特征在于,该方法通过纳米粒子表面修饰、在热储存材料基体中可控分散制备得到,具体采用以下步骤:
(1)表面修饰工艺:将具有电磁波吸收特性的纳米颗粒均匀分散至溶剂中,再向上述混合溶液加入表面修饰活性剂,经离心得到沉淀后用溶剂冲洗,最后重新分散到溶剂中;
(2)分散工艺:将储热材料基体加热熔化至液态,或者向液态的储存材料基体中加入步骤(1)制备的溶液,持续加热搅拌直至溶剂挥发完毕,然后冷却到室温,即得到基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料。
3.根据权利要求1或2所述的基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,其特征在于,所述的具有电磁波吸收特性的纳米颗粒为具有电磁波吸收特性的金属或其合金或非金属无机物的纳米颗粒,包括金、银、铂或其合金、石墨,碳纳米管、石墨烯或硒化铅。
4.根据权利要求1或2所述的基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,其特征在于,所述的储热材料基体对电磁波的散射小,为透明的有机热储存材料或无机盐类热储存材料。
5.根据权利要求4所述的基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,其特征在于,所述的透明的有机热储存材料为透明石蜡、有机硅油、聚乙二醇或植物油,所述的无机盐类热储存材料为硝酸钠、硫酸钠或混合的氯化钠和氯化钙。
6.根据权利要求2所述的基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的溶剂为水、乙醇、异丙醇、甲苯、氯仿、四氢呋喃或正己烷。
7.根据权利要求2所述的基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,其特征在于,步骤(1)中所述的表面修饰活性剂为因热储存基体材料性质而异,为带水溶性电离羧酸根的硫醇、油溶性脂肪族硫醇配体或与储热材料基体化学成分和结构相近的分子或者高分子。
8.根据权利要求7所述的基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,其特征在于,所述的带水溶性电离羧酸根的硫醇为11-疏基十一烷酸或者巯基-聚乙二醇,所述的油溶性脂肪族硫醇配体为以正十二硫醇为代表的烷烃硫醇,所述的与储热材料基体化学成分和结构相近的分子或高分子为与透明石蜡相近似的油酸或油胺,或与有机硅油相近似的末端带有羧基的聚二甲基或聚甲基苯基硅烷高分子或者末端带有巯基的聚二甲基或聚甲基苯基硅烷高分子。
9.根据权利要求1或2所述的基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,其特征在于,制备得到的热储存复合材料利用含有的纳米颗粒的光热转换进行快速均匀充热:当电磁波照射到纳米复合储热材料时,均匀分布的纳米颗粒吸收电磁波,并将其转换为热能,所产生的热量向其周围储热介质中传导,对储热材料进行快速均匀充热。
10.根据权利要求9所述的基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法,其特征在于,所述的电磁波为激光波,可见光波,太阳光,红外光波或微波。
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