1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплофизика высоких температур
  4. T. 61, № 4, 2023

Теплофизика высоких температур, 2023, T. 61, № 4, стр. 530-535

Исследование стабильности водных наножидкостей на основе оксида графена для поглощения солнечной энергии

J. Zhou 1, B. Yang 1, *, N. van Velson 2, J. Charles 2, J. Wang 2

1 Department of Mechanical Engineering, University of Maryland
College Park, MD 20742 United States

2 Advanced Cooling Technologies, Inc.
Lancaster, PA 17601 United States

* E-mail: baoyang@umd.edu

Поступила в редакцию 17.05.2022
После доработки 23.09.2022
Принята к публикации 11.05.2023

Аннотация

В данном исследовании стабильность водных наножидкостей на основе оксида графена исследуется в условиях кипения–конденсации. Наножидкости с оксидом графена остаются очень стабильными, а коэффициент пропускания в солнечной области спектра изменяется менее чем на 6% после трехчасового центрифугирования с ускорением 630g при 90°C без кипячения. Однако после процессов кипения и конденсации коэффициент пропускания солнечной энергии у наножидкостей с оксидом графена быстро снижается с 38 до 4% в течение первых 24 ч тестирования и стабилизируется в последние 120 ч тестирования. Уменьшение коэффициента пропускания жидкости связано с частичным восстановлением нанолистов оксида графена, о чем свидетельствуют измерения рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье. Удивительно, что термическое восстановление оксида графена в водных жидкостях происходит при низкой температуре (~100°C) после прохождения кипения и конденсации. Данная температура намного ниже, чем ранее сообщавшаяся температура термического восстановления (180°C и выше) без кипения. Низкую температуру термического восстановления оксида графена можно объяснить пузырьковой кавитацией, связанной с кипением в водных жидкостях.

Список литературы

  1. Liu J., Ye Z., Zhang L., Fang X., Zhang Z. A Combined Numerical and Experimental Study on Graphene/Ionic Liquid Nanofluid Based Direct Absorption Solar Collector // Solar Energy Materials and Solar Cells. 2015. V. 136. P. 177.

  2. Ni G., Miljkovic N., Ghasemi H., Huang X., Boriskina S.V., Lin C.T., Chen G. Volumetric Solar Heating of Nanofluids for Direct Vapor Generation // Nano Energy. 2015. V. 17. P. 290.

  3. Saidur R., Meng T.C., Said Z., Hasanuzzaman M., Kamyar A. Evaluation of the Effect of Nanofluid-based Absorbers on Direct Solar Collector // Int. J. Heat Mass Transfer. 2012. V. 55. № 21–22. P. 5899.

  4. Lenert A., Wang E.N. Optimization of Nanofluid Volumetric Receivers for Solar Thermal Energy Conversion // Solar Energy. 2012. V. 86(1). P. 253.

  5. Taylor R.A., Phelan P.E., Otanicar T.P., Walker C.A., Nguyen M., Trimble S., Prasher R. Applicability of Nanofluids in High Flux Solar Collectors // Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2011. V. 3(2). 023104.

  6. Aguilar T., Sani E., Mercatelli L., Carrillo-Berdugo I., Torres E., Navas J. Exfoliated Graphene Oxide-based Nanofluids with Enhanced Thermal and Optical Properties for Solar Collectors in Concentrating Solar Power // Journal of Molecular Liquids. 2020. V. 306. 112862.

  7. Cham sa-ard W., Fawcett D., Fung C.C., Chapman P., Rattan S., Poinern G.E.J. Synthesis, Characterisation and Thermo-physical Properties of Highly Stable Graphene Oxide-based Aqueous Nanofluids for Potential Low-temperature Direct Absorption Solar Applications // Scientific Reports. 2021. V. 11. 16549.

  8. Khullar V., Tyagi H., Hordy N., Otanicar T.P., Hewakuruppu Y., Modi P., Taylor R.A. Harvesting Solar Thermal Energy Through Nanofluid-based Volumetric Absorption Systems // Int. J. Heat Mass Transfer. 2014. V. 77. P. 377.

  9. Otanicar T.P., Phelan P.E., Prasher R.S., Rosengarten G., Taylor R.A. Nanofluid-based Direct Absorption Solar Collector // Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2010. V. 2(3). 033102.

  10. Colangelo G., Favale E., de Risi A., Laforgia D. Results of Experimental Investigations on the Heat Conductivity of Nanofluids Based on Diathermic Oil for High Temperature Applications // Applied Energy. 2012. V. 97. P. 828.

  11. Otanicar T.P., Phelan P.E., Golden J.S. Optical Properties of Liquids for Direct Absorption Solar Thermal Energy Systems // Solar Energy. 2009. V. 83(7). P. 969.

  12. Yu W., Xie H., Bao D. Enhanced Thermal Conductivities of Nanofluids Containing Graphene Oxide Nanosheets // Nanotechnology. 2009. V. 21(5). 055705.

  13. Vakili M., Hosseinalipour S.M., Delfani S., Khosrojerdi S., Karami M. Experimental Investigation of Graphene Nanoplatelets Nanofluid-based Volumetric Solar Collector for Domestic Hot Water Systems // Solar Energy. 2016. V. 131. P. 119.

  14. Stankovich S., Dikin D.A., Piner R.D., Kohlhaas K.A., Kleinhammes A., Jia Y., Ruoff R.S. Synthesis of Graphene-based Nanosheets via Chemical Reduction of Exfoliated Graphite Oxide // Carbon. 2007. V. 45(7). P. 1558.

  15. Stankovich S., Piner R.D., Chen X., Wu N., Nguyen S.T., Ruoff R.S. Stable Aqueous Dispersions of Graphitic Nanoplatelets via the Reduction of Exfoliated Graphite Oxide in the Presence of Poly (Sodium 4-styrenesulfonate) // J Materials Chem. 2006. V. 16(2). P. 155.

  16. Cassagneau T., Guérin F., Fendler J.H. Preparation and Characterization of Ultrathin Films Layer-by-layer Self-assembled from Graphite Oxide Nanoplatelets and Polymers // Langmuir. 2000. V. 16(18). P. 7318.

  17. Kotov N.A., Dékány I., Fendler J.H. Ultrathin Graphite Oxide–polyelectrolyte Composites Prepared by Self-assembly: Transition Between Conductive and Non-conductive States // Advanced Materials. 1996. 8(8). P. 637.

  18. Kovtyukhova N.I., Ollivier P.J., Martin B.R., Mallouk T.E., Chizhik S.A., Buzaneva E.V., Gorchinskiy A.D. Layer-by-layer Assembly of Ultrathin Composite Films from Micron-sized Graphite oxide Sheets and Polycations // Chemistry of Materials. 1999. V. 11(3). P. 771.

  19. Nuncira J., Seara L.M., Sinisterra R.D., Caliman V., Silva G.G. Long-term Colloidal Stability of Graphene Oxide Aqueous Nanofluids // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2020. V. 28(5). P. 407.

  20. Hirata M., Gotou T., Ohba M. Thin-film Particles of Graphite Oxide. 2: Preliminary Studies for Internal Micro Fabrication of Single Particle and Carbonaceous Electronic Circuits // Carbon. 2005. V. 43(3). P. 503.

  21. Szabó T., Szeri A., Dékány I. Composite Graphitic Nanolayers Prepared by Self-assembly Between Finely Dispersed Graphite Oxide and a Cationic Polymer // Carbon. 2005. V. 43(1). P. 87.

  22. Liu X., Wang X., Huang J., Cheng G., He Y. Volumetric Solar Steam Generation Enhanced by Reduced Graphene Oxide Nanofluid // Applied Energy. 2018. V. 220. P. 302.

  23. Swinehart D.F. The Beer–Lambert Law // Journal of Chemical Education. 1962. V. 39(7). P. 333.

  24. Xue Y., Zhu L., Chen H., Qu J., Dai L. Multiscale Patterning of Graphene Oxide and Reduced Graphene Oxide for Flexible Supercapacitors // Carbon. 2015. V. 92. P. 305.

  25. Emiru T.F., Ayele D.W. Controlled Synthesis, Characterization and Reduction of Graphene Oxide: A Convenient Method for Large Scale Production // Egyptian Journal of Basic and Applied Sciences. 2017. V. 4(1). P. 74.

  26. Niu Y., Fang Q., Zhang Z, Zhang P., Li Y. Reduction and Structural Evolution of Graphene Oxide Sheets under Hydrothermal Treatment // Phys. Lett. A. 2016. V. 380. № 38. P. 3128.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплофизика высоких температур

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал