2024年08月03日，侯獻(xiàn)軍團(tuán)隊(duì)在期刊《Nanomaterials》上發(fā)表題為" Nano-Biochar Prepared from High-Pressure Homogenization Improves Thermal Conductivity of Ethylene Glycol-Based Coolant "的研究論文。
該團(tuán)隊(duì)利用艾特森HPH-L2型高壓均質(zhì)機(jī)以農(nóng)業(yè)廢棄物芝麻秸稈為原料，經(jīng)熱解制得原始生物炭（BC）并進(jìn)行堿改性后，成功制備出納米生物炭（NBC），實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該設(shè)備能有效將生物炭粒徑從微米級(jí)降至納米級(jí)。
研究背景
汽車動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)對(duì)熱管理系統(tǒng)要求趨嚴(yán)，納米流體是理想的車用冷卻介質(zhì)，但現(xiàn)有金屬/金屬氧化物納米顆粒易沉降、有環(huán)境危害，碳納米材料則成本高且制備需危險(xiǎn)化學(xué)品，生物炭雖環(huán)保、低成本且具導(dǎo)熱潛力，卻因粒徑大、分散性差，在乙二醇類液體冷卻介質(zhì)中的傳熱研究極少；納米生物炭可解決上述短板，高壓均質(zhì)法又是綠色高效的納米材料制備手段，因此，提出高壓均質(zhì)法制備的納米生物炭應(yīng)用于乙二醇基冷卻液的相關(guān)研究。
1. 芝麻秸稈熱解特性與NBC-EG冷卻液制備流程
2. 生物質(zhì)、BC、NBC的SEM與AFM表征
通過SEM和AFM表征發(fā)現(xiàn)，高壓均質(zhì)技術(shù)將生物炭粒徑從微米級(jí)降至納米級(jí)，NBC在乙醇中分散性良好，干燥態(tài)雖有團(tuán)聚但單維尺寸低于100nm，為其在EG中的分散性提供微觀支撐。
圖例2：生物質(zhì)、BC、NBC的SEM與AFM表征
3. 生物質(zhì)、BC、NBC的FTIR與拉曼光譜表征
FTIR結(jié)果顯示堿改性讓NBC含氧官能團(tuán)較BC顯著增加；拉曼光譜中NBC的I_D/I_G 低于BC，證明HPH-L2提升了生物炭?jī)?nèi)部石墨化程度，降低了結(jié)構(gòu)缺陷密度。
圖例3：生物質(zhì)、BC、NBC的FTIR與拉曼光譜表征
4. BC與NBC的XPS全譜及高分辨O1s、C1s譜
XPS分析證實(shí)NBC表面O含量及C-O、C=O等含氧官能團(tuán)占比遠(yuǎn)高于BC，Ca、Mg 含量，與FTIR結(jié)果相互印證，說明改性富集了生物炭表面含氧官能團(tuán)。
圖例4：BC與NBC的XPS全譜及高分辨O1s、C1s譜
5. 不同高壓均質(zhì)條件下NBC的等效粒徑與粒徑分布
粒徑測(cè)試表明，均質(zhì)壓力對(duì)NBC粒徑的影響遠(yuǎn)大于均質(zhì)時(shí)間，相同時(shí)間下壓力越高粒徑越小；15min均質(zhì)的NBC粒徑呈雙峰分布，小粒徑峰隨壓力升高而降低，大粒徑峰基本穩(wěn)定在440nm。
6. 不同高壓均質(zhì)操作條件下NBC的SEM表征
電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，隨HPH壓力和時(shí)間增加，NBC粒徑更細(xì)小均勻，120MPa下粒徑最-優(yōu)；NBC小顆粒為球形/花狀團(tuán)聚體，大顆粒為塊狀結(jié)構(gòu)，明確了HPH的顆粒機(jī)械破碎機(jī)制。
7. BC-EG與NBC-EG的自然沉降照片及NBC在EG中的分散穩(wěn)定機(jī)制
自然沉降實(shí)驗(yàn)顯示，BC在EG中5天完-全沉降，NBC無分散劑時(shí)可穩(wěn)定分散28天；其穩(wěn)定機(jī)制為NBC小粒徑、高比表面積可吸附EG分子，且表面含氧官能團(tuán)與EG羥基形成氫鍵，增強(qiáng)結(jié)合力。
8. NBC-EG的黏度、熱導(dǎo)率特性及熱導(dǎo)率增強(qiáng)機(jī)
黏度測(cè)試表明NBC濃度＜1wt.% 時(shí)對(duì)EG黏度影響可忽略，濃度升高則黏度顯著增加；熱導(dǎo)率隨NBC濃度和溫度升高而提升，80℃時(shí)5wt.%NBC-EG導(dǎo)熱率提升6.72%，提升機(jī)制為石墨化結(jié)構(gòu)、納米顆粒布朗運(yùn)動(dòng)及液-粒界面類固體液層的熱橋作用。
圖例8：NBC-EG的黏度、熱導(dǎo)率特性及熱導(dǎo)率增強(qiáng)機(jī)制
9. 不同溫度下NBC-EG的性能增強(qiáng)比（PER）
通過PER值評(píng)估黏度與熱導(dǎo)率的權(quán)衡關(guān)系，發(fā)現(xiàn)0.1/0.5/1wt.% NBC-EG的PER全溫度＜5，滿足車用冷卻液湍流換熱要求；3wt.% NBC-EG因黏度驟升PER超標(biāo)，為NBC的實(shí)際應(yīng)用劃定了適宜濃度范圍。
圖例9：不同溫度下NBC-EG的性能增強(qiáng)比（PER）
知識(shí)分享：研究亮點(diǎn)
1
首-次采用高壓均質(zhì)法以農(nóng)業(yè)廢棄物芝麻秸稈為原料制備納米生物炭，并將其作為添加劑引入乙二醇基冷卻液，填-補(bǔ)了該制備方法所得納米生物炭在乙二醇冷卻介質(zhì)中應(yīng)用研究的空白。
2
所制納米生物炭無需添加分散劑即可在乙二醇中穩(wěn)定分散28天，且低濃度（＜1wt.%）下對(duì)冷卻液黏度影響可忽略，解決了普通生物炭粒徑大、分散性差的痛點(diǎn)。
3
從石墨化結(jié)構(gòu)、納米顆粒布朗運(yùn)動(dòng)及液-粒界面類固體液層三方面闡釋了納米生物炭提升乙二醇導(dǎo)熱性的機(jī)制，5wt.%添加量下80℃時(shí)導(dǎo)熱率提升6.72%，為車用熱管理系統(tǒng)提供了綠色、低成本的冷卻介質(zhì)改性方案。
參考文獻(xiàn)：
Nanomaterials (IF 4.3) Pub Date : 2024-08-03 , DOI:10.3390/nano14151308
(空格分隔,最多3個(gè),單個(gè)標(biāo)簽最多10個(gè)字符)
會(huì)員.png)
18
立即詢價(jià)
您提交后，專屬客服將第一時(shí)間為您服務(wù)