综述：纳米改性熔盐用于热储能：热物性增强与稳定性提升的协同机制

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Nano-modified Molten salts for thermal energy storage: Synergistic mechanisms of thermophysical property enhancement and stability improvement

　　

**摘要**

熔融盐储能（MSES）是提升聚光太阳能热发电（CSP）系统效率和运行稳定性的核心技术。然而，其大规模工业应用受到技术瓶颈的严重制约，包括本征低导热率、有限比热容（Cp）以及高温下的剧烈腐蚀。近年来，纳米改性策略——包括引入碳基、金属和非金属化合物纳米粒子——作为协同提升热物性和化学稳定性的有效途径已崭露头角。本文系统综述了纳米改性熔融盐材料的最新进展，重点关注调控储能增强的多尺度协同机制。对固类界面纳米层构建、多维热传导网络演化、界面离子分层效应以及Kapitza热阻调控等关键现象进行了深入分析。此外，讨论了纳米粒子在高温熔体中的分散稳定性控制机制，以及其在缓解基体腐蚀和增强长期热稳定性方面的多功能作用。最后，提出了未来研究方向，强调多尺度模拟与原位实验的融合、界面动态行为的原子级解析，以及在大型系统集成和长期循环条件下的可靠性评估。本综述旨在为可持续能源基础设施中高性能熔融盐材料的开发提供战略框架。

**引言**

全球向可再生能源的转型使聚光太阳能热发电（CSP）技术跃居前沿，这主要归功于其电网兼容性和整合热储能（TES）的能力。熔融盐仍是主流的热储能介质，具有宽液相范围、高热容量和相对较低的成本等优势。然而，在实际应用中，其性能受限于低导热率和中等比热容，二者共同制约了系统整体效率。高温腐蚀和热退化也对储能系统的长期可靠性构成持续挑战[1-5]。传统的改性方法如体掺杂或结构封装往往涉及权衡：改善某一性能往往会损害另一性能，这使得难以实现多项性能指标的同时提升[6-7]。

纳米工程作为一种有前景的替代方案应运而生。通过利用尺寸依赖效应和高比表面积（SSA），纳米材料可诱发微观结构重组并创造新的能量输运界面通道。这些效应已被证明可以同时提升热物性和化学稳定性[8-10]。碳基材料、金属氧化物和非金属化合物等多种纳米添加剂在此领域展现了应用前景。然而，其内在机理仍未完全阐明。关键未解问题涉及多尺度场耦合、盐-纳米粒子界面的动态行为以及纳米流体在循环工况下的长期分散稳定性。

本综述综合了近些年来纳米改性熔融盐用于热储能的最新研究。我们不仅简单罗列已报道的性能改进，而是聚焦于热物性增强和稳定化的机理基础，以及这两种效应如何相互作用（图1）。我们还将不同纳米材料体系的有效性进行了比较，并识别了仍然存在的技术障碍，旨在为下一代用于可持续能源应用的熔融盐材料开发提供实用视角。

为解决纳米改性熔融盐中多性能协同长期存在的模糊认识，本综述建立了一个多尺度界面协同框架（图2）。我们并未将热物性增强和化学稳定化视为孤立现象，而是阐述它们如何通过三元"协同环"内在耦合：

1. **分散控制与界面工程**：通过界面离子分层效应或缺陷工程（如氧空位）调控表面电荷，控制纳米粒子在超高离子强度熔体中的分散行为。良好分散的纳米粒子维持最大的活性界面纳米层，同时限制盐离子运动（提升Cp），并为构建金属-盐界面致密钝化/互扩散层提供均匀前驱体（缓解腐蚀）。

2. **微观结构重组与输运通道**：稳定的分散促进自组装的长程热传导路径和分形枝晶网络的形成，提升导热率并放大热储存密度。

**各节节选**

**碳基纳米材料**

碳基纳米材料可实现对纳米-盐界面相互作用和微观结构演化的精确调控，从而改善熔融盐的热物性。例如，当均匀分散的多壁碳纳米管（MWCNTs）添加到Solar Salt中时，会在MWCNTs表面形成界面纳米层。该界面层使系统固相和液相的比热容分别提升了3.8%和4.38%[11]。此外，

**导热率增强微观机理**

复合熔融盐体系中导热率的增强可归因于纳米粒子引入所诱发的多尺度微物理过程。核心机制可归纳为微观结构重组和能量输运通道优化。

**抑腐蚀与热化学稳定性的协同增强机理**

熔融盐环境中，

**总结**

本文综述了纳米材料如何改性熔融盐热储能系统并总结了近些年的研究进展。重点阐述了碳基、金属基和非金属化合物纳米材料通过多尺度机制的协同作用——包括界面调制和微观结构重组——来增强热物性和改善热化学稳定性的物理化学过程。对于热物性方面，纳米粒子通过以下途径提升……

**缩略语列表**

| 缩写 | 全称 |
|------|------|
| MSES | 熔融盐储能 |
| CSP | 聚光太阳能热发电 |
| Cp | 比热容 |
| TES | 热储能 |
| SSA | 比表面积 |
| MWCNTs | 多壁碳纳米管 |
| SWCNTs | 单壁碳纳米管 |
| CNTs | 碳纳米管 |
| LBM | 格子玻尔兹曼方法 |
| EDL | 双电层 |
| MD | 分子动力学 |
| GCS | Gouy-Chapman-Stern |
| PDOS | 声子态密度 |
| DLVO | Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek |

**作者贡献声明（CRediT）**

- **Wei Zhang**：撰写——审稿与编辑，监督指导，概念设计
- **Xiangyong Yang**：撰写——初稿撰写，方法论，调查
- **Shouan Cheng**：可视化，验证
- **Wenkai Hu**：形式分析，数据整理
- **Yanshan Yin**：资源获取，项目管理
- **Mingxuan Hu**：撰写——审稿与编辑，可视化
- **Zichang Yuan**：形式分析，数据整理
- **Jingwen Xu**：调查
- **Dancong Li**：数据整理

**生成式AI及AI辅助技术使用声明**

在本文制备过程中，作者使用了Gemini工具以改进稿件的英文表达和可读性。使用工具后，作者对所涉内容进行了审阅和编辑，并对已发表文章的内容承担全部责任。

**利益冲突声明**

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

**致谢**

本工作得到中国教育部人文社会科学研究项目（项目编号：25YJAZH244）和湖南省自然科学基金（项目编号：2025JJ60890）的支持。

**作者信息**

Wei Zhang | Xiangyong Yang | Shouan Cheng | Wenkai Hu | Yanshan Yin | Mingxuan Hu | Zichang Yuan | Jingwen Xu | Dancong Li

长沙理工大学能源与动力工程学院，长沙市万家丽南路二段960号，410114，中国