综述：PVP表面活性剂对光伏光热应用纳米流体的稳定性、流变学性质及性能的影响：综述

《Next Materials》：The impact of PVP surfactant on the stability, rheological properties and performance of nanofluids for photovoltaic thermal applications: A review

　　

光伏光热（PV/T）系统可同时回收热量并保持光伏电输出，从而提高太阳能利用率。纳米流体因其增强的热学和光学性质而成为有前景的PV/T冷却剂。然而，其实际应用仍受限于团聚、沉降和长期胶体不稳定性。表面活性剂常用于改善分散性，但剂量不足可能无法提供足够的稳定性，而过量添加则会增加粘度、界面热阻和泵送需求。在各种表面活性剂中，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）具有吸引力，因为其非离子聚合物结构可在不同纳米颗粒类别中提供空间稳定性。然而，PVP配方、纳米流体性质和实际PV/T系统性能之间的关系仍未充分明确。本结构化综述采用PRISMA（系统综述和荟萃分析的首选报告项目）指导的文献选择过程和循证综合来评估PVP稳定的纳米流体。数据库检索确定了1874条记录，去除641条重复后筛选出1233条独特记录。更新后的证据总数包括79篇相关出版物。研究结果表明，PVP性能具有强烈的配方依赖性，尽管稳定性得到改善，但过高的浓度或分子量可能会损害热学和流体动力学性能。重要的是，仅有两项研究在完整的实验性PV/T系统中直接评估了PVP稳定的纳米流体，这突显了配方水平证据与系统水平验证之间的主要差距。因此，本综述提出了一个综合评估框架，将胶体稳定性、热学、流变学、流体动力学、能量和?性能联系起来，并提出了未来PV/T研究的最低报告集和分阶段研究路线图。总体而言，PVP应作为PV/T系统设计变量进行优化，而不仅仅是作为分散添加剂。

1. 1.
   引言
   全球对可持续能源需求的增长推动了高效太阳能技术的发展。光伏（PV）技术因其模块化、可扩展性和安装成本降低而被广泛部署。然而，传统光伏组件存在基本的热限制：吸收的太阳辐射仅部分转化为电能，剩余能量以热量形式耗散，导致电池温度升高，进而降低电效率、可靠性和长期使用寿命。因此，在高太阳辐照度和运行条件下需要有效的热管理以维持稳定发电。光伏光热（PV/T）系统作为一种混合技术，可同时从单一太阳能集热器产生电能和热能。在PV/T系统中，工作流体流经附着在光伏模块背面的热吸收器或冷却通道，带走多余热量转化为有用的热能。这种双能配置提高了太阳能的综合利用率。然而，PV/T性能高度依赖于工作流体的热物理性质。传统冷却剂如空气、水和乙二醇（EG）/水混合物因热导率低，在高辐照度、紧凑换热器几何形状和连续运行条件下散热效率有限。纳米流体作为先进传热流体被引入以克服这些限制，其由分散在基液中的纳米颗粒（通常尺寸1–100 nm）组成。添加纳米颗粒可增强有效热导率、对流换热系数和光学吸收特性，这与布朗运动、固液界面液体分层、纳米颗粒形态和高比表面积有关。多种纳米材料已被研究用于PV/T和太阳能热应用，包括金属氧化物、金属纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯和石墨烯纳米片（GNP）。金属氧化物纳米颗粒如氧化镁（MgO）、氧化铝（Al₂O₃）、氧化钛（TiO₂）、氧化锌（ZnO）、氧化铜（CuO）和氧化硅（SiO₂）因化学稳定性、可得性和低成本而常用。碳基纳米材料如石墨烯纳米片和多壁碳纳米管因其高固有热导率和强光学吸收能力也备受关注。在PV/T系统中，纳米流体不仅可作为传热流体，还可作为光学活性介质。通过控制纳米颗粒材料、尺寸、形状和浓度，可调节其对太阳光谱的选择性吸收或透射，这在直接吸收和光谱过滤PV/T集热器中尤其有用。尽管纳米流体具有前景，其实用化受限于胶体不稳定性。纳米颗粒具有高表面能，受范德华力吸引而团聚、沉降和相分离。这些不稳定性在PV/T系统中更为关键，因为流体经历连续循环、温度波动、流动剪切和可能的长期户外暴露。团聚会减少传热有效表面积，改变悬浮液光学行为，并破坏均匀性；沉降可能导致吸收器通道堵塞，尤其在窄通道或微通道PV/T集热器中；此外，不良分散会增加粘度和压降，增加泵送功率。因此，纳米流体在PV/T中的成功应用不仅取决于高热导率，还需保持长期分散稳定性和可接受的流变行为。改善稳定性的方法包括pH调节、超声处理、表面功能化和表面活性剂添加。表面活性剂辅助稳定因其简单、成本效益和与两步法制备的兼容性而被广泛采用。表面活性剂通过在纳米颗粒表面吸附产生排斥力来减少团聚，分为离子型和非离子型。离子型表面活性剂如十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）主要通过静电排斥稳定，但受pH、离子强度和基液化学性质影响大。非离子聚合物表面活性剂通过空间位阻提供稳定，对pH和离子强度依赖性小，更适合PV/T的可变条件。聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是一种非离子聚合物表面活性剂，因其分子结构（极性吡咯烷酮环和聚合物碳氢骨架）可通过羰基与纳米颗粒表面相互作用，并通过延伸链形成空间屏障防止团聚。PVP对金属氧化物和碳基纳米颗粒均有良好兼容性，且热稳定性较好。但PVP使用需优化，过量或高分子量会增加粘度和界面热阻，导致稳定性、流变学和热性能之间的权衡。现有综述多关注纳米颗粒类型、基液、流量或系统性能，对表面活性剂化学作用关注不足。本综述专门针对PVP，将其分子量和比例等作为相互作用的配方变量，分离直接实验PV/T证据与模拟证据，提取定量指标，并提出包含压降、泵送功率、净有用能量和?的工程决策框架。本综述目标为确定PVP稳定对PV/T纳米流体何时技术有益，评估其吸附、空间稳定、分子量、剂量、基液化学等因素的影响，并分级证据提出评价方案。
2. 2.
   综述方法学
   本综述采用结构化文献检索和证据综合方法，遵循PRISMA 2020和PRISMA-S指南。未进行正式荟萃分析，因为研究在纳米颗粒类别、浓度基准、PVP等级和剂量等方面高度异质。采用描述性定量综合，提取绝对值、百分比变化、稳定持续时间和配方比例。信息来源包括Scopus、Web of Science和ScienceDirect，检索期为1995年至2026年7月31日，限英文文献。检索策略结合四个概念块：PVP、纳米流体/纳米颗粒、稳定性和传输性质、PV/T或太阳能热应用。资格标准包括实验评估PVP作为稳定剂、报告稳定性/传输性质或PV/T系统研究等。研究选择中，数据库检索得1874条记录，去重后1233条独特记录进行筛选，排除1101条，132篇进行全文评估。最终纳入79篇出版物，包括45篇主要研究、27篇支持性综述和7篇基础/方法学来源。证据根据接近实际PV/T操作的程度分类：直接实验PV/T研究权重最高，直接光伏电池冷却研究单独报告，数值或计算流体动力学（CFD）PV/T研究作为系统级间接证据，PV/T目标配方研究确定流体适用性，太阳能热或直接吸收研究提供相邻证据，一般配方或机理研究支持PVP吸附解释。仅两项研究在完整实验PV/T系统中直接评估了含PVP纳米流体，突显了从配方到系统验证的差距。
3. 3.
   PVP稳定纳米流体的机理
   PVP有效性与其分子结构、吸附行为和界面稳定机理密切相关。纳米颗粒不稳定源于范德华力和高表面能，PVP通过吸附形成聚合物屏障提供空间稳定，这对PV/T的温度波动和循环条件尤为重要。

3.1. PVP的分子结构和性质

PVP是合成非离子水溶性聚合物，重复单元为(C₆H₉NO)_n，分子结构包含极性吡咯烷酮环和碳氢骨架，赋予两亲性。羰基（C=O）可通过氢键、偶极-偶极或配位作用与金属氧化物表面羟基或金属位点相互作用，碳氢骨架和环可通过疏水和π-π作用与碳材料作用。PVP稳定行为受分子量影响，商业等级常用K值表示，K值越高链越长，流体力学体积越大。独立热表征显示玻璃化转变温度随等级升高，如PVP K-15约136°C，K-30约154°C，K-90约172°C。长链增加空间层厚度但也增加溶液粘度和链缠结，因此K-30并非普遍最优，需根据表面化学等验证。PVP还具有适合太阳能热应用的特性，其玻璃化转变温度通常高于常见PV/T操作温度，热分解温度更高，但需根据实际温度历程评估。

3.2. PVP的吸附和界面相互作用

PVP分子迁移到纳米颗粒表面形成吸附层，降低界面能。对金属氧化物，羰基与表面羟基或金属位点作用，红外光谱中羰基伸缩振动带位移可证明吸附。对碳基纳米颗粒如石墨烯纳米片（GNP）和多壁碳纳米管（MWCNT），PVP通过减少疏水吸引和改善与极性基液相容性来分散，烃骨架和环可能通过疏水和π-π作用与石墨表面排列。吸附强度很重要，弱吸附可能导致超声、加热或循环时解吸，使空间屏障减弱和团聚。

3.3. 空间稳定机理

PVP主要通过空间稳定纳米流体。吸附后聚合物链延伸到基液中，当颗粒靠近时链重叠产生渗透排斥和熵排斥，形成物理屏障。与静电稳定相比，空间稳定对表面电荷依赖性小，对pH和离子强度变化容忍度更高，适合PV/T长期运行。但空间稳定需优化PVP浓度：浓度过低导致表面覆盖不全或架桥絮凝；浓度过高导致 depletion絮凝或粘度增加。表3比较了静电、空间和电空间稳定机制及其对PV/T的影响。

3.4. 影响PVP稳定效果的因素

PVP效果受浓度、分子量、纳米颗粒类型、基液极性、pH、温度和分散方法影响。浓度需优化，过低不稳定，过高增加粘度和链缠结。分子量决定空间层厚度，高分子量增加粘度和水力损失。纳米颗粒表面化学决定相互作用强度，碳基材料需更强分散能量。基液极性影响PVP链构型，温度影响布朗运动和聚合物-颗粒作用。分散方法如超声处理必须优化，不足或过度均有害。此外，PVP层的热、UV和剪切耐久性需区分玻璃化转变、水分流失和化学分解。干燥聚合物玻璃化转变取决于分子量和含水量，热重测量显示主要分解可在约340°C以上开始，远高于典型PV/T水温范围。但低温下可能因解吸、氧化或循环导致可靠性下降。UV和剪切在户外或循环系统中可能导致降解，需未来研究关注。

3.5. PVP稳定对PV/T纳米流体的影响

优化的PVP层可维持分散、保持热导率、减少沉降，但也可能增加粘度和界面热阻。因此需多参数平衡，表4列出了PVP相关参数对稳定性、粘度和热导率的影响及PV/T意义。

1. 4.
   PVP稳定纳米流体的制备与表征
   制备方法决定胶体稳定性、热物理性质及作为PV/T工作流体的适用性。纳米流体通常一步法或两步法制备。一步法同时合成和分散纳米颗粒，PVP作稳定剂和封端剂，可减少初级团聚，但成本高、残留化学品可能影响光学/电学性质，对PV/T大规模应用需评估。两步法更常用，将预合成纳米颗粒分散到含PVP的基液中，允许筛选不同浓度和比例，经济且可扩展，但需足够分散能打破干粉末团聚。分散技术如超声处理需优化参数，PVP添加顺序推荐先溶解后加颗粒。稳定性评估需结合视觉观察、UV-Vis光谱、zeta电位、动态光散射（DLS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和显微镜技术。Zeta电位对空间稳定的PVP系统不应作为唯一标准，需结合水动力直径和沉降行为。表征热物理和光学性质包括热导率、粘度、密度、比热容和光学吸收等，对PV/T冷却或直接吸收系统至关重要。