[发明专利]基于纳米粒子电磁波吸收的热储存复合材料的制备方法

说明书

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