Ag@SiO2和Au-Ag复合结构纳米流体太阳能吸收及光热转换特性研究

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长期以来,太阳能热利用在其各种太阳能应用中所占比重最高,太阳能集热器作为热利用的重要载体,其结构设计和工作形式直接决定着太阳能热利用使用效率。直接吸收式集热器依靠内部的工作液体对太阳光的直接体吸收实现光热能量转换,在太阳能热利用方面具有出众的表现,因此具有比传统表面吸收式集热器更高的吸收效率,而液体工质的光学和热物性则成为选择液体的重要依据。部分金属纳米颗粒表面激发的等离激元共振效应,可以有效增强光热转换性能,具有很好的应用前景。此外,通过对等离激元纳米颗粒结构进行调控,可进一步增强流体的光热转换能力。本文主要基于Ag的复合结构等离激元纳米颗粒,在目标波长范围内通过改变纳米颗粒结构和尺寸及颗粒浓度来调节纳米流体的光吸收及光热转换性能,主要内容包括:(1)利用化学合成方法,制备得到核壳结构Ag@SiO2、核壳结构Au@Ag以及双面结构Au-Ag等离激元纳米颗粒,并以水为基液制备得到纳米流体。通过分光光度计测得上述不同浓度纳米流体的吸光度和光谱透射率,在可见光波长范围内,纳米流体的光吸收性能随着质量浓度的提高而增强,且存在明显等离激元吸收峰。通过分析太阳光谱下纳米流体太阳能吸收分数与光程的关系,发现当入射光程从0增加到3cm时,最高浓度的Ag@SiO2和Au-Ag纳米流体的太阳能吸收分数分别增至95.8%、99.4%,然而继续增加光程,对纳米流体太阳能吸收分数影响不大。(2)对纳米流体进行光热转换实验,发现随着光照时间的增加,流体的温度逐渐上升。对于Ag@SiO2纳米流体,其光热转换性能随着纳米颗粒质量浓度的增加,出现了先增强后减弱的现象,存在125 ppm的最佳浓度,使得纳米流体的光热转换性能最大。125 ppm浓度下的Ag@SiO2纳米流体在光热转换实验后,从室温升至71.1℃,相较于去离子水,提高了9.6℃,集热效率提高了18.9%。对于Au-Ag复合结构纳米流体,光热实验后,其最高温度相较于去离子水,提高了15℃,集热效率提高了56.9%。(3)比较了Au@Ag及双面结构Au-Ag纳米流体的光吸收性能,由于双面结构存在多级激发的等离激元模式,使其在600-700 nm波谱范围的光学吸收性能优于核壳结构纳米流体。对比两种结构的Au-Ag纳米流体在光热转换实验过程中的温升曲线,发现差别较小。分析光热试验后的Au-Ag纳米结构,核壳结构纳米颗粒相较于光热实验前,无明显差异;而双面结构的纳米颗粒,连接配体在高温下热稳定性下降,在光热实验过程中纳米结构发生改变,导致其光热转换性下降。(4)基于麦克斯韦电磁理论,采用时域有限差分法,针对Ag@SiO2和Au@Ag纳米流体,建立了分散体系的物理模型。通过改变纳米结构壳层、核层尺寸以及环境介质的介电常数,进一步研究核壳结构尺寸对Ag@SiO2和Au@Ag纳米流体的光学性能的影响。对于核壳结构的纳米流体,调节壳层厚度,其对入射光的吸收能力随着壳层厚度的增加而增强,吸收峰出现了红移;调节核层尺寸,纳米流体等离激元共振峰随着核层尺寸的增加向短波方向移动。此外,当纳米颗粒所处环境介电常数增大时,其光吸收性能出现了下降。
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