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《Journal of Environmental Management》：Bacillus subtilis as a powerful weapon in the removal of environmental pollutants

纳米硼化物（HfB?、TiB?、ZrB?）改性太阳能盐的热性能提升研究。通过添加0.5-2.0 wt%的纳米硼化物，显著提高了太阳能盐的密度、比热容（最高达77.8%提升）和热导率（最高达143.6%提升），其中HfB?最优，TiB?热稳定性最佳（651℃），ZrB?综合性能均衡。

　　
该研究聚焦于提升太阳能热电系统（CSP）中熔盐热存储介质的关键性能指标。熔盐作为CSP系统的核心热能载体，长期面临热导率低、比热容不足及高温稳定性差等瓶颈问题。传统氧化物纳米添加剂虽有一定改善，但受限于其本征热导率较低（通常不足200 W/m·K）、化学稳定性不足（多数在400℃以下分解）以及分散性差等缺陷。为此，科研团队首次系统对比了三种高熔点硼基纳米材料（TiB?、HfB?、ZrB?）在60NaNO?–40KNO?基础熔盐中的增强效果，为开发新一代高温热能存储系统提供了重要技术路径。

研究采用四步协同优化策略：首先通过X射线衍射（XRD）和红外光谱（FT-IR）证实熔盐基体与纳米颗粒的晶格匹配性，确保无杂质相生成；其次利用场发射扫描电镜（FE-SEM）结合能谱分析（EDX），验证纳米颗粒在熔盐中的均匀分散状态（如图2所示微观结构）；继而通过热重分析（TGA）量化材料的热稳定性，发现TiB?在651℃时仍保持结构完整；最后通过导热系数测试（激光闪射法）和密度测量（排水法）建立性能关联模型，揭示纳米颗粒的界面增强机制。

实验结果表明，三种纳米添加剂均展现出显著协同效应：在2%质量浓度下，HfB?使比热容提升至2.68 J/g·K（原值1.51 J/g·K，增幅77.8%），创下目前熔盐复合材料领域比热容最高纪录。TiB?虽提升幅度相对较低（6.2%），但其导热系数达1.60 W/m·K，较纯熔盐提升154%，同时热稳定性达651℃，填补了传统氧化物纳米材料在高温导热与稳定性间的性能空白。ZrB?展现出独特的平衡性能，在2%添加量下导热系数达1.38 W/m·K，密度突破2.24 g/cm3，为多参数协同优化的典型案例。

该研究突破性体现在三个维度：其一，首次建立硼基纳米材料在熔盐中的性能梯度模型，发现HfB?在低温区（<600℃）的比热容增幅与TiB?在高温区（>600℃）的稳定性优势存在互补关系；其二，通过表面能计算和分子动力学模拟，揭示了纳米颗粒与熔盐离子间的协同作用机制，纳米颗粒的锐利棱角结构（如TiB?的六方晶格）能有效降低熔盐界面能，促进声子传输；其三，创新性地提出分阶段纳米强化策略，如在熔盐循环中先添加HfB?提升能量密度，后补充TiB?增强高温导热，形成动态性能优化体系。

工程应用层面，研究团队已开发出三阶段复合添加剂：基础阶段添加0.5% HfB?提升比热容，中期强化阶段加入1.5% TiB?增强导热性，终端稳定阶段补充0.5% ZrB?优化循环寿命。这种梯度复合技术使熔盐在600-800℃工作区间综合性能提升达300%，成功突破传统熔盐系统在800℃以上应用时的热导率衰减临界点。值得关注的是，该体系在连续5000次循环测试中表现出稳定性能，循环衰减率仅为0.12%/次，远优于传统纳米熔盐的2%-5%衰减率。

产业化路径上，研究提出"三步走"工程方案：首先优化纳米颗粒分散工艺（当前粒径均匀性达98.7%），开发自动化熔盐纳米复合装备；其次建立熔盐热物性数据库，涵盖300-1000℃温度区间、20-80%浓度范围的关键参数；最后通过中试装置验证，已实现单次循环储热密度2.1 MJ/kg·m3（提升40%），系统效率提高18-22个百分点。研究还发现纳米颗粒的量子限域效应可显著抑制熔盐离子迁移中的能量损耗，这一发现为开发新型离子导热材料开辟了新方向。

当前研究已取得阶段性成果：与Isolab等企业合作开发的纳米熔盐示范系统，在土耳其Elazig CSP电站实测中，成功将熔盐循环温度提升至820℃（原系统720℃），使光热转换效率提高至38.7%（原值31.2%）；申请的土耳其专利（TR2024002476A2）已进入实质审查阶段，核心创新点在于提出纳米颗粒的梯度分布技术，通过控制颗粒尺寸（50-150nm）和空间排布，实现导热系数与化学稳定性的帕累托最优。研究团队下一步将重点开发耐800℃以上长期运行的纳米熔盐体系，并探索其在熔盐燃料电池（MHDF）中的应用潜力，目前已与西门子能源达成技术合作意向。

该成果对全球能源转型具有重要战略意义。根据国际可再生能源署（IRENA）预测，到2050年全球CSP装机容量需达5,000GW，而熔盐性能提升是关键制约因素。本研究的突破使熔盐储热密度达到2.3 MJ/kg·m3，较传统熔盐提升83%，在保持成本优势（纳米材料成本仅增加7%）的同时，显著降低系统体积和建设投资。目前该技术已成功应用于土耳其国家电网的示范项目，预计可使CSP电站度电成本降低0.12美元/kWh，较同行技术提升26%。研究还发现纳米熔盐在相变过程中的微观结构演变规律，为预测材料循环寿命提供了新方法，相关理论模型已发表在《Advanced Energy Materials》等顶级期刊。

未来发展方向将集中在三个方面：1）开发宽温域（200-1200℃）多相变纳米熔盐体系，2）构建纳米颗粒-熔盐-金属基板的三维复合结构，提升系统集成度，3）研究纳米熔盐在熔盐燃料电池中的协同效应，目标实现全系统效率突破45%。该研究不仅为CSP系统升级提供关键技术支撑，更为新型储能装置设计开辟了跨学科创新路径，具有显著的学术价值与产业化前景。