分子动力学模拟使用的物理模型. (a) 二元盐的计算区域；(b) 不同体积的二氧化硅纳米颗粒(Ψ)；(c) 二元碳酸盐基介质的计算区域.

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内容简介

下一代光热发电系统的储热温度将超过700℃。在此高温条件下，耐高温的碳酸盐被视为前景广阔的储热介质。然而，受制于其固有低导热率与低比热容的物性缺陷，上述熔盐在高温下极易出现传储热性能恶化，尚难以进行工程应用。近年来的研究表明，纳米颗粒掺杂是提升熔盐储热介质热物性的有效途径。然而，目前针对纳米颗粒对熔盐导热率与比热容的影响机理的相关研究结论仍存在显著分歧。因此，有必要深入揭示纳米颗粒对高温熔盐热物性的调控机理，为构建高温熔盐基介质工质提供理论支撑。

鉴于此，本论文采用数值模拟与理论分析相结合的方法，建立了二元碳酸盐基纳米流体介质的分子动力学计算模型，预测了介质的导热率、比热容和动力黏度等热物性，并与实验数据进行了对比。结果表明，导热率、比热容的预测偏差分别不超过±9.97%与±7.99%，处在合理的范围内，表明所构建的分子动力学模型是可靠的。

基于碳酸盐基纳米流体（CSNF）的分子动力学计算模型，揭示了SiO2纳米颗粒体积分数对热物性的影响规律，研究了熔盐离子微观分布演化特性，解析了离子迁移能力的转变和体系内能量密度分布特性，分析了传热过程中局部热流分布和储热过程中局域比热容分布，阐明了SiO2纳米颗粒对二元碳酸盐的热物性调控机理。具体如下：

1）SiO2纳米颗粒显著增强了二元碳酸盐的导热率，但会导致比热容轻微下降。当纳米颗粒体积分数从1%增至8%时，导热率提升了9.7-11.8%，但比热容降低0.24-0.83%。

2）离子微观分布分析表明，SiO2纳米颗粒表面显负电性，优先吸附Na+与K+形成阳离子富集层，而CO32-因静电斥力分布于外层构成阴离子补偿层，二者协同形成致密离子层。该层内离子短程径向有序度显著提升，起到了类固体导热的作用，从而强化了导热率。局部热流分布分析表明，致密离子层的热流密度显著高于介质内平均水平，验证了导热率强化机理。

3）离子迁移能力与能量密度分布分析表明，纳米颗粒使致密层内的离子陷入了低势能阱，限制了其移动，导致其升温时需额外能量克服势垒，从而提升了比热容。局域比热容分布分析表明，致密层内熔盐的比热容显著增强，但因SiO2纳米颗粒自身比热容较低，最终导致碳酸盐基介质比热容略微降低，验证了比热容调控机理。

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图文结果

图1 CSNF(Ψ=1-8%)在1200-1700 K范围内的比热容

图2 SiO2纳米颗粒体积分数与温度对CSNF的导热率影响

图3 近纳米颗粒区域的分层示意图

图4 SiO₂纳米颗粒周围离子数密度的分布

图5 纳米颗粒周围电荷密度与离子数密度的比例分布

图 6 熔盐离子径向分布函数（ RDF ）在 Ψ =0% 与 Ψ =8% 条件下的对比分析

图 7 熔盐的离子角分布函数（ ADF ）在 Ψ =0% 与 Ψ =8% 条件下的对比分析

图8 Ψ=0%条件下熔盐离子与Ψ=8%条件下CIL以外的离子的RDF对比

图9 CSNF体系(Ψ=0-8%)的离子自扩散系数

图10 纳米颗粒的能量的空间密度分布.

图11 在1200-1700 K温度范围内，CSNFs体系(Ψ=1-8%)中纳米颗粒周围的ntotal

图12 CSNFs体系的内部不同区域的比热容对比分析

图14 温度在1700 K时，CSNF体系(Ψ=0-8%)内部的平均热流密度

图15 在1700 K温度下，Ψ=0%时CSNF体系沿z方向的温度分布

图16 CSNF体系(Ψ=8%）内部的热流密度表征

图17 CSNF体系(Ψ=1-8%)时不同热流密度的对比分析

图18 CSNF体系(Ψ=1-8%)不同区域内局部热流密度对比

声 明：该文的推送已得到作者授权。

文章参考文献格式：Huang Zizhou, Hu Zuxin, Li Qing, Qiu Yu*. Property regulation of binary alkali carbonates by SiO2 nanoparticles for high-temperature thermal energy storage[J]. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2025, 285: 113537.

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