研究背景

由于需要高度可拉伸和抗故障的组件，在柔软、灵活、自主的设备中进行就地发电具有挑战性。具有热、摩擦或热电性质的纳米流体最近成为实现基于液体能量收集器的有前途的解决方案。然而，这些系统的有效性能需要大的热梯度。在这项工作中，我们展示了油基等离子体纳米流体独特地结合了高光热效率和强热局部化。特别是，我们报告了含有TiN纳米团簇(0.3 wt %)的油酸基纳米流体具有89%的光热效率，并且在太阳照射下可以实现高达15.5 K/cm的热梯度。我们通过实验和数值研究了纳米流体的光热行为作为固体分数浓度和照射波长的函数，阐明了热学和光学性质的相互作用，并证明了与水基纳米流体相比的显著改善。总的来说，这些结果为开发用于软、独立设备的液体能源发电系统提供了前所未有的机会。

相关成果以“Plasmonic Nanofluids: Enhancing Photothermal Gradients towardLiquid Robots”为题发表在国际知名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》(JCR一区，IF=9.5)上。

研究结论

研究者们对水基和油基等离子体纳米流体的光热分析表明，仔细选择液体溶剂的热性质和固体组分含量是实现高光热效率和大热梯度的关键。特别是，所研究的OA/TiN (0.3 wt %)纳米流体具有83%的光热效率，能够在保持15 K/cm的温度梯度的同时实现超过60 K的温度升高。在0.1 wt %的情况下，热约束已经很明显了，在太阳辐射下具有有趣的动力学。此外，所提出的方法可以进一步扩展，用具有低导热性的液体渗透性基质(即水凝胶)取代油基溶剂。另一方面，在受辐照的纳米流体上形成稳定而强大的热梯度，可诱导流体内部的对流运动，并可用于直接将光/热转化为主动泵送(机械能)。总的来说，将额外的热电或摩擦电特性集成到这些等离子体纳米流体中，将为开发用于液体机器人的柔顺和自修复的液态能量转换器铺平道路。应该注意的是，改善也可以通过改变照明的几何形状来实现。事实上，在这种框架下的传热机制只能局限于对流和传导。在垂直照明发生在流体底部的情况下，由于Rayleigh−Benard 对流将比侧向照明的情况更强，因此预计会有更低的热梯度。相反，如果光照发生在流体的顶部，则可能具有更大的温度梯度，因为对流传输受到限制。

主要数据

图1 (a)纳米流体的实现过程，固体组分在光热转换中的作用示意图。方案的最后一部分提供了对可能应用的见解。(b)氮化钛浓度为0.01 wt %时，DLS (Nano ZS)获得的水和OA中的纳米颗粒尺寸分布(左)，以及从图像中获得的纳米颗粒统计分布的干粉的SEM图像(右)。(c) OA中氮化钛的消光系数:红线为TiN/OA纳米流体的实验数据(UV-2600i)，蓝线为裸OA。黑线是用Mie理论对30纳米粒子(虚线)和300纳米簇(实心)产生的

图2 OA和水基氮化钛纳米流体在氙灯辐射下记录的实验温度分布

图3 基于OA的氮化钛纳米流体在LED辐射下的实验温度分布记录

图4 不同LED波长下(a)氧化硅基纳米流体的光热效率与氮化钛浓度的关系(b)在氙灯辐射下，从实验数据(实验)获得的不同TiN浓度的水和ova基纳米流体，并与COMSOL预测结果(理论)进行比较

https://doi.org/10.1021/acsami.3c06859

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