纳米颗粒分散度与杂化体系对氯化盐热物理性能的增强机制研究

本研究针对聚光太阳能(CSP)系统中复合熔盐(CPCM)的热物理性能优化问题，通过分子动力学(MD)模拟探究了Al2O3/MgO纳米颗粒分散度对NaCl-KCl-MgCl2体系热导率(λ)和比热容(cp)的影响。发现CPCMA和CPCMM的热导率最高提升14.5%，比热容提升7.9%，揭示了界面层特性与静电作用对能量传递模式的调控机制，为高温储热(TES)材料设计提供理论支撑。

　　

在追求碳中和的全球背景下，聚光太阳能发电(CSP)技术因其高效储能潜力备受关注。然而，作为核心储热介质，熔融盐的热物理性能瓶颈始终制约着系统效率——热导率低导致传热迟滞，比热容不足限制储能密度。更棘手的是，传统添加纳米颗粒的增强方法常面临分散不均、界面效应不明等问题，犹如给发动机添加劣质燃油，不仅无法提升性能，还可能引发"副作用"。

针对这一挑战，中国的研究团队通过分子动力学(MD)这一"计算显微镜"，对掺杂Al₂O₃(CPCM_A)、MgO(CPCM_M)及其杂化体系(CPCM_AM)的三元氯化盐(NaCl-KCl-MgCl₂)展开深入研究。论文发表在《Journal of Energy Storage》，首次系统揭示了纳米颗粒分散度与热物理性能的定量关系，并破解了杂化纳米颗粒相互作用的"电磁密码"。

研究采用三大关键技术：反向非平衡分子动力学(RNEMD)计算热导率，粒子-粒子粒子-网格(PPPM)算法处理长程静电作用，通过Born-Mayer-Huggins(BMH)势函数描述离子间相互作用。在800-1200K温度范围内，构建了包含数千离子的三维周期模型，确保计算结果可靠性。

【物理模型】
团队通过Materials Studio构建60×60×120 ?³的模拟盒子，精确复现工业级盐配比(Na⁺:K⁺:Mg²⁺=615:1239:1435)。创新性地引入分散度(d)量化参数，为纳米颗粒分散研究建立新标准。

【结果与讨论】
热物理性能提升呈现"双轨效应"：CPCM_A和CPCM_M的热导率随分散度增加分别提升7.2%和14.5%，但比热容增幅趋同(7.9% vs 7.6%)。深入分析发现，MgO表面更强的电荷密度使其界面层原子排列更有序，宛如给熔盐"编织"了导热网络。而杂化体系CPCM_AM却出现反常——带相反电荷的Al₂O₃/MgO产生静电吸引，使体系从势能主导的储热模式转向动能主导的耗散模式，比热容不增反降。

微观机制解析显示：纵向数密度(ρ_z)分布证实纳米颗粒界面存在2-4 ?的过渡区；周围电荷密度比(ρ_c)揭示Mg²⁺在MgO界面富集程度是Al₂O₃界面的1.3倍；势能(E_p)分析表明CPCM_AM体系能量波动幅度比其他体系高18%，印证了其能量耗散特性。

【结论】
这项研究不仅建立了纳米颗粒分散度-热物性的定量关系，更揭示了杂化纳米颗粒的"协同拮抗效应"：虽然单一纳米颗粒能显著提升性能，但异种颗粒组合可能因电磁作用产生1+1<2的效果。该发现为熔盐纳米复合材料设计提供了黄金准则——在追求高分散度的同时，必须谨慎选择纳米颗粒组合。这些见解将指导下一代高温储热材料的精准设计，对推动太阳能热发电技术商业化具有重要价值。