摘 要

众所周知，太阳能是对环境友好的可再生能源，其具有取之不尽用之不竭的特点。聚光太阳能热发电作为太阳能发电的一种，因为在大规模发电方面比光伏更具经济效应，特别是其具有的储热能力，正受到社会的广泛关注。硝酸盐是一种热物性良好的材料，并且因为成本较低，对环境友好，在作为储热材料上有很好的应用前景。为了提高材料的比热，本文采用溶胶凝胶合成法，在二元硝酸盐(NaNO₃-KNO₃)中掺入纳米氧化镍颗粒，探究不同制备方法对复合材料比热容的影响。本实验以六水合硝酸镍作为氧化剂，柠檬酸作为燃料，用氨水调节前驱体的pH值，制备得溶胶凝胶，再将其分散在二元硝酸盐中，点燃后得到复合材料。

本文通过X射线衍射(XRD)分析，研究反应前后材料的成分变化。通过材料的XRD图谱发现加入微量的纳米粒子并不会对材料的物相结构造成影响。利用扫描电子显微镜观察复合材料的微观形貌，发现有针状结构生成。使用差示扫描量热仪(DSC)测试复合材料的比热，发现在不同的配比、不同的温度下，制备得到的复合材料比热容均有不同程度的提高。在煅烧温度为400℃，燃料恰好完全反应，复合材料的固态比热最高可达到2.80J/(g·K)，性能提高了128.86%；液态比热可达2.16J/(g·K)，提高了63.54%。

关键词：NaNO₃-KNO₃；纳米颗粒；比热容

Abstract

As we all know, solar energy is a kind of environment-friendly renewable energy, which is inexhaustible. PSC, a kind of solar power generation, is more economical than PV in term of large-scale power generation. And because of the thermal storage capacity, PSC is widely concerned by the society. Nitrate has been proved materials with good thermal properties. It has a good application prospect as a heat storage material, because its low cost and environmental friendliness. In order to improve the specific heat capacity of the material, this paper adopts the sol-gel method to add nanoscale nickel oxide particles into base salt. And explore the influence different preparation methods on the specific heat capacity of composite materials. In this experiment, nickel nitrate was used as the oxidant, citric acid as the fuel, and ammonia was used to adjust the pH value of the precursor. And then dispersed in the binary nitrate. The composite material was obtained after ignition.

The composition of the material before and after the reaction were investigated by X-ray diffraction(XRD). The XRD pattern of the material showed that the addition of nano-particles did not affect the phase structure of the material. Scanning electron microscope(SEM) was used to observe the microstructure of the composites. And the formation of spicules was found. Differential scanning calorimeter(DSC) was used to measure the specific heat capacity of the composite material. It was found that the specific heat capacity of the composite increased with different ratio and different temperature. When the calcination temperature is 400℃, the fuel just completely reacts, the specific heat of solid of the composite can reach up to 2.80J/(g·K), and the performance is improved by 128.86%. The specific heat of liquid can reach 2.16 J/(g·K), which increased 63.54%.

Keyword: NaNO₃-KNO₃, nanoparticles, specific heat capacity

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2熔融盐储热材料 2

1.3纳米氧化镍 2

1.4纳米流体 3

1.4.1纳米流体简介 3

1.4.2纳米流体的分类与制备 3

1.5熔融盐中纳米材料在太阳能中的应用 3

1.6熔融盐中的纳米材料制备方法 4

1.7选题意义及研究内容 5

1.7.1选题意义 5

1.7.2研究内容 5

第二章 实验过程 6

2.1实验原材料及设备 6

2.1.1实验药品 6

2.1.2实验仪器 6

2.2溶胶凝胶燃烧合成法制备氧化镍硝酸盐复合材料 7

2.3复合材料热物性能的测定 9

2.3.1 材料的组成 9

2.3.2微观形貌的表征 10

2.3.3热物理性能的表征 10

第三章 溶胶凝胶法制备纳米氧化镍硝酸盐复合材料 12

3.1材料的组成 12

3.2材料的微观形貌 14

3.3材料的比热容 15

3.4本章小结 19

第四章 结论 20

参考文献 21

致谢 23

附录1：论文所用原材料费用一览表 24

附录2：论文测试及分析费用一览表 25

第一章 绪论

1.1研究背景

自工业革命以来，随着大规模的工业化以及全球文明的高速发展，导致了经济飞速发展、人口爆发性增加、人们的生活水平显著提高，人类对于世界能源的消费正在逐步的攀升。在如今的能源结构中，我们所使用的能源主要是煤炭、石油和天然气等化石能源。虽然化石能源为我们的科技发展提供了重大的帮助，但是其燃烧后排放的温室气体对大气环境的污染，以及化石能源的储备并非无穷无尽，探寻新的可供使用的能源一直是现代社会关注的焦点。这时候可再生能源的开发和利用就自然而然地走进了我们的视野。可再生能源是指太阳能、水能、地热能、风能等非化石能源，它们取之不尽，用之不竭^[30]。而且相对于化石能源，它们不仅环保或者对环境危害极小，而且分布广泛，适宜就地开发利用^[2]。作为最有前途的可再生能源之一，太阳能是非常广泛和环保的。在环境污染日益严重的今天，为了给我们的后代创造更加美好的未来，作为清洁能的太阳能源扮演了十分重要的角色。太阳能是普遍的，没有地域限制的，无论是高原还是海岸，我们都可以接收到太阳光，并直接开发和利用它，而无需消耗人力和资源来进行开采或运输。平均每一小时从太阳输送到地球的能量可供全球使用一年。每年辐射到地球表面上的太阳能就相当于130万亿吨煤所蕴含的能量，所以太阳能被称为最大的可开发能源。最重要的是按照当前研究，太阳能资源可持续600亿年，这对人类来说可谓是取之不尽，用之不竭。然而，由于太阳能的利用受到随机因素，如天气阴晴变化和规律性变化因素，如昼夜差异、地理环境、季节变化的影响，这使得太阳能的发展受到制约。为了稳定持续地利用太阳能发电，我们需要热能储能装置将太阳能储存起来，在太阳能不足时将热能释放出来，以满足我们对生产和生活的需求。

太阳能发电技术分别有光伏发电(PV)和太阳能热发电(CSP)两种。光伏发电能够将太阳能直接转变为电力，这种方法也叫直接法。太阳能热发电也被称为间接法，以传统的热力学循环产生电力，通过镜子在特定点聚集太阳光并产生热量，热量通过传热流体传输到蒸汽发生器用于发电^[12]。光伏发电不仅转换速率较低，而且它不能在夜间发电，这大大地限制了太阳能发电技术的发展。然而，太阳能热发电却不存在这样的限制，它可以储存大量的热能，在我们需要的时候为我们不断地提供能量。热能储能技术的有效利用，为可再生能源的持续利用提供了很大的帮助。

1.2熔融盐储热材料

太阳能热储存主要有三种类型：显热储热、潜热储热和化学反应储热。显热储热是利用储热材料的热容量，通过升高或者降低材料的温度而实现热量的储存或释放过程。潜热储热又被称为相变储热，它是利用热储存材料在热作用下发生的相变过程中所产生或释放的热量。化学反应蓄热是通过材料相互接触中发生的化学反应所产生的反应热来进行储热。而熔融盐储热属于太阳能储热中的潜热储热^[29]。热能储能材料是提高太阳能利用率的关键因素，太阳能利用中，熔融盐的成本低、热物理性能好，已经在聚光太阳能发电系统中作为热能储存材料得到了广泛的应用^[1]。常见的熔融盐有碳酸盐、硝酸盐、氯盐、氟盐、二元盐和三元盐。由于大多数硝酸盐的价格低廉，低腐蚀性和具有的熔化潜热大，它们不易于在温度低于500℃时分解。与其它的熔融盐相比，硝酸盐有很大的优势。在该实验中，硝酸盐被用作储热材料。相比于单一的熔融盐，将不同的熔融盐按一定的比例混合形成的二元或三元盐，往往具有更低的相变温度，更宽的温度范围。太阳盐是目前应用在聚光太阳能发电系统中最为广泛的一种盐类。这种二元盐是由40%的KNO₃和60%的NaNO₃混合而成。纯净的KNO₃和NaNO₃的熔点分为为334℃和306.8℃，在形成二元熔盐体系后，其熔点温度降低为223℃，热导率升高为0.536。

1.3纳米氧化镍

纳米材料是指其几何尺寸中至少有一个尺寸是纳米尺寸(1~100nm)或作为材料的基本单元是由纳米颗粒组成的。纳米材料通常具有某些特殊性能，如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应和体积效应。优良的电学性能和化学稳定性是氧化镍的特点，而当氧化镍制成纳米级别时，纳米氧化镍也会获得纳米粒子所特有的性质，表现出优于本体材料的性能。其电学性能以及催化性能会得到更一步的提升^[21]。