石墨烯纳米流体光学特性研究：面向直接吸收式太阳能集热器的性能优化与应用前景

本研究针对传统太阳能集热器热转换效率低的问题，通过实验与数值模拟相结合的方法，系统研究了石墨烯纳米流体在水基分散体系中的光学特性。研究人员采用分光光度计测量结合蒙特卡洛光线追踪模拟，对比Mie理论和离散偶极近似（DDA）两种模型，发现厚度10-20nm、高长厚比的石墨烯纳米片可显著提升紫外-可见光谱区吸收能力。研究证实双峰粒径分布能准确复现实验数据，为开发新一代高效太阳能集热器提供了重要理论依据和技术支撑。

　　

在全球能源转型的大背景下，太阳能热利用技术正面临革命性突破的契机。传统太阳能集热器依赖金属表面选择性吸收涂层，存在热损失大、效率受限等瓶颈问题。直接吸收式太阳能集热器（DASC）通过纳米流体实现体积式吸热，有望突破这一局限。然而，常规传热流体如水或导热油在可见光和近红外光谱区吸收性能较差，亟需开发新型纳米流体材料。石墨烯因其独特的二维结构和优异的光学特性备受关注，但其在太阳能集热应用中的具体光学行为尚不明确，特别是粒子尺寸、形貌对光热转换效率的影响机制亟待阐明。

为攻克这一难题，来自法国佩皮尼昂大学等机构的研究团队在《Next Materials》发表了创新性研究成果。该研究通过系统的实验表征和理论模拟，揭示了石墨烯纳米流体在太阳能集热应用中的关键光学特性及其优化路径。

研究采用分光光度计测量结合蒙特卡洛光线追踪模拟的技术路线，对碳水域公司提供的羟基化石墨烯纳米片水基分散体（CW-GLB02A1）进行了全面光学表征。通过建立石英比色皿的精确光学模型，采用迭代算法确定了石墨烯粒子的归一化消光系数β′_p
。为解析粒子形貌效应，研究创新性地对比了Mie理论和离散偶极近似（DDA）两种计算方法，并引入体积等效球体假设进行验证。针对实际分散体系的复杂性，研究还开发了双峰粒径分布模型来拟合实验数据。

在光学特性测量与验证部分，研究团队使用Perkin Elmer Lambda950分光光度计测得0.1-1.0g/L浓度范围的石墨烯分散体在250-2500nm波段的透射率谱。结果显示所有样品在270nm处均出现特征吸收峰，证实了π-π*电子跃迁的存在。通过蒙特卡洛模拟扣除比色皿界面效应后，发现归一化消光系数β′_p
与浓度呈线性关系，且在700-1350nm区间呈现灰体特性。扫描电镜（SEM）观测发现实际粒子尺寸（200nm-10μm）远超供应商标称值（0.1-6μm），暗示生产过程中可能存在片层堆叠现象。

在纳米流体光学特性建模部分，研究取得了突破性发现。通过对比Mie理论和DDA计算发现：对于高长厚比（ξ>2）的纳米片，传统球形模型会显著低估消光能力。以50×50×9nm³
纳米片为例，其消光截面比体积等效球体高0.02μm²
。厚度模拟表明，当石墨烯片厚度超过100nm时，其光学特性更接近石墨而非单层石墨烯。研究创新性地提出双峰分布模型（1.35%体积分数的50×50×9nm³
纳米片+98.65%体积分数的6.2μm球形粒子）能完美复现实验数据，散射相函数计算显示体系具有强前向散射特性（不对称因子g=0.896）。

在吸收特性应用分析中，研究建立了光学路径长度与平均吸收率的关系模型。计算表明：对于典型抛物槽式集热器70mm光程，0.2g/L石墨烯浓度即可实现96%的光吸收，与商业选择性吸收涂层相当。值得注意的是，虽然SEM显示存在微米级团聚体，但分散体系仍能保持数月稳定性，且在80℃高温下光学性能无明显变化。

该研究通过多尺度、多方法的系统研究，明确了石墨烯纳米片厚度是调控光吸收性能的关键参数。研究证实10-20nm厚度、高长厚比的纳米片能最大化紫外-可见光区的吸收效率，而双峰粒径分布是复现实际分散体系光学行为的必要条件。这些发现不仅为纳米流体太阳能集热器的优化设计提供了定量依据，也为解决纳米材料在实际应用中普遍存在的团聚问题提供了新思路。特别值得关注的是，研究建立的实验-模拟协同分析方法，为其他纳米流体系统的性能预测和优化提供了可借鉴的技术路线。未来研究可进一步探索表面官能化、pH调控等策略，在保持光学性能的同时增强分散稳定性，推动石墨烯纳米流体在可再生能源领域的实际应用。