摘 要

多组分硝酸盐作为优异的热存储介质在太阳能热发电方面有很好的应用前景。纳米MgO作为一种新型的高功能精细无机材料，在储热方面有着独特的应用。本文采用凝胶-溶液燃烧法，以Mg(NO₃)₂为原料，柠檬酸和尿素为燃料，在低熔点的NaNO₃-KNO₃二元混合硝酸盐中掺入MgO纳米颗粒，进而针对材料的热物理性能，探究添加纳米颗粒对硝酸盐比热的影响，优化最佳制备工艺参数。研究表明：Mg(NO₃)₂和燃料在不同的配比下合成的纳米MgO-NaNO₃-KNO₃复合材料的比热容均有不同程度的提高。当Mg(NO₃)₂和燃料恰好完全反应时制备的纳米MgO颗粒具有最好的分散性以及最小的粒径尺寸，对应的复合材料比热容的提高幅度最大。本文的特色在于采用最优化的纳米MgO制备方法——凝胶-燃烧法，并将不同配比下制备得到的纳米MgO颗粒在最优的燃烧温度下与NaNO₃-KNO₃二元混合硝酸盐混合点燃，最终复合材料的比热值有明显提高。

关键词：凝胶-燃烧法；纳米MgO颗粒；无机硝酸盐；比热

Abstract

As an excellent thermal storage medium,multi-component nitrate has a good application prospect in concentrated solar power system.MgO nanoparticles, a new high functional inorganic material, has unique applications in thermal storage. In this paper, we adopted the gel-solution combustion method,Mg(NO₃)₂ as raw material, citric acid and urea as fuel, and finally we synthesized MgO nanoparticles into the low melting point binary nitrate mixture of NaNO₃-KNO₃.And then we tested the materials’ thermal physical properties in order to explored the effects of adding nanoparticles on nitrate specific heat and the best preparation process parameters optimization.Research shows that heat capacity of the composite materials,which were synthesized under different ratio of Mg(NO₃)₂ to fuel, has varying degrees of increase.MgO nanoparticles have the best dispersion and the smallest particle size when Mg(NO₃)₂ and fuel reacted completely.Correspondingly,the increase of heat capacity of composite materials is the largest.The features of this paper is that the optimal method of the preparation of MgO nano particles—gel-solution combustion method was selected.Besides,we mixed the MgO nano particles under different ratio of Mg(NO₃)₂ to fuel and NaNO₃-KNO₃ binary nitrate and lighted under the optimal combustion temperature,eventually the specific heat of the composites has increased significantly.

Key Words:gel-solution combustion method;MgOnanoparticles;inorganic nitrate;specific heat

目 录

第1章 绪论 1

1.1 背景 1

1.2 相变储热材料的分类和应用 1

1.3 纳米MgO简介 2

1.4 纳米MgO颗粒的制备 2

1.5 纳米流体的国内外研究现状 2

1.5.1 纳米流体简介 2

1.5.2 纳米流体的分类及相关研究进展 3

1.6 本文研究目的及意义 4

1.7 本文主要研究内容 5

第2章 实验条件和方法 6

2.1 实验原材料与设备 6

2.2 实验工艺流程 6

2.3 实验方案设计 7

2.4 材料制备过程 8

2.4.1 柠檬酸体系 8

2.4.2 尿素体系 9

2.5 材料测试方法 10

2.5.1 微观性能表征 10

2.5.2 热学性能表征 11

第3章 结果与讨论 12

3.1 材料的热重分析 12

3.2 材料的物相分析 13

3.3 材料的表面形貌分析 14

3.3.1 场发射扫描电子显微镜（SEM） 14

3.3.2 EDS能谱分析 15

3.4 材料DSC曲线分析 16

3.5 材料比热容分析 17

结 论 19

参考文献 20

致 谢 22

第1章 绪论

1.1 背景

目前，全球化的进一步推进和人口的迅猛增长，人类对能源的需求也随之呈现井喷式的急剧增长。虽然现阶段化石燃料还能为科技的飞速发展提供能源，但是化石燃料的缺乏以及有害气体的排放对环境带来了毁灭性的破坏，可再生清洁能源的开发、利用迫在眉睫，其中太阳能作为最有效的清洁能源之一，在生产生活中越来越发挥重要的作用。风力发电装置和光伏发电装置是间歇性的发电，从而导致太阳能等可再生能源在时间和空间上是非连续的，而太阳能热（带有蓄热器）发电装置所采用的技术可以很好的满足能量的需求，太阳能热发电厂利用蓄热器发电在传送廉价、可再生、可利用以及无害的电力方面有很好的前景。有效利用储热系统可以有效缓解能源的供需平衡，从而实现可再生能源的持续供应。相变材料因其良好的热物理性能，在储热系统中的应用可大大提高储热效率，同时使得可再生能源在公用及工业设施上的使用成为可能，比如太阳能发电、工业废热利用等等^[1-2]。正是由于太阳能发电技术的兴起与飞速发展，使得储热材料的研究与应用的现实意义越来越重要。

硝酸盐是太阳能热发电站中应用比较多的相变材料之一。目前，熔融盐作为热存储介质表现出优异的性能。然而，硝酸盐较低的比热值大大限制了它们的应用。而提高硝酸盐的比热会使它的储存容量大大减少，或者在同样的存储容量下可以储存更多的能量，从而提高无机盐的比热可以提高材料的储热量。现有研究表明，将少量纳米颗粒均匀分散在无机盐中，可显著提高无机盐的比热容^[2-4]。BETTS 等^[5]在二元硝酸盐中掺入SiO₂纳米颗粒后，比热容提高了20%。SHIN等^[6]合成了基于熔融盐掺入SiO₂纳米颗粒的纳米流体，并观察到在添加了质量分数1%的纳米流体后有26%的比热容升高。但关于无机盐比热容显著提高的基本调节机理尚未有一致的看法。

1.2 相变储热材料的分类和应用

相变储热材料即利用材料在一定温度范围内的物理相变过程中，大量的相变潜热会被其吸收并存储。所以当材料周围的温度下降时，会向环境中释放热能，正式凭借这种独特的吸热和放热的特性，相变材料目前已广泛应用在航天、建筑、军事等各个领域，在当今社会经济发展过程中发挥着十分重要的作用。