2024年08月03日，侯獻軍團隊在期刊《Nanomaterials》上發(fā)表題為" Nano-Biochar Prepared from High-Pressure Homogenization Improves Thermal Conductivity of Ethylene Glycol-Based Coolant "的研究論文。
該團隊利用艾特森HPH-L2型高壓均質機以農業(yè)廢棄物芝麻秸稈為原料，經熱解制得原始生物炭(BC)并進行堿改性后，成功制備出納米生物炭(NBC)，實驗證實，該設備能有效將生物炭粒徑從微米級降至納米級。
研究背景
汽車動力系統(tǒng)升級對熱管理系統(tǒng)要求趨嚴，納米流體是理想的車用冷卻介質，但現(xiàn)有金屬/金屬氧化物納米顆粒易沉降、有環(huán)境危害，碳納米材料則成本高且制備需危險化學品，生物炭雖環(huán)保、低成本且具導熱潛力，卻因粒徑大、分散性差，在乙二醇類液體冷卻介質中的傳熱研究極少；納米生物炭可解決上述短板，高壓均質法又是綠色高效的納米材料制備手段，因此，提出高壓均質法制備的納米生物炭應用于乙二醇基冷卻液的相關研究。
1. 芝麻秸稈熱解特性與NBC-EG冷卻液制備流程
研究團隊通過TGA-FTIR分析確定芝麻秸稈最優(yōu)熱解溫度為515℃，并明確其熱解過程的氣體釋放規(guī)律；同時展示NBC-EG(nano-biochar-ethylene glycol，納米生物炭-乙二醇)冷卻液制備全流程，即芝麻秸稈經熱解制BC、堿改性+高壓均質(HPH-L2)制NBC，最終與EG超聲混合，得到目標冷卻液。
圖例1：芝麻秸稈熱解特性與NBC-EG冷卻液制備流程
2. 生物質、BC、NBC的SEM與AFM表征
通過SEM和AFM表征發(fā)現(xiàn)，高壓均質技術將生物炭粒徑從微米級降至納米級，NBC在乙醇中分散性良好，干燥態(tài)雖有團聚但單維尺寸低于100nm，為其在EG中的分散性提供微觀支撐。
圖例2：生物質、BC、NBC的SEM與AFM表征
3. 生物質、BC、NBC的FTIR與拉曼光譜表征
FTIR結果顯示堿改性讓NBC含氧官能團較BC顯著增加；拉曼光譜中NBC的I_D/I_G 低于BC，證明HPH-L2提升了生物炭內部石墨化程度，降低了結構缺陷密度。
圖例3：生物質、BC、NBC的FTIR與拉曼光譜表征
4. BC與NBC的XPS全譜及高分辨O1s、C1s譜
XPS分析證實NBC表面O含量及C-O、C=O等含氧官能團占比遠高于BC，Ca、Mg 含量，與FTIR結果相互印證，說明改性富集了生物炭表面含氧官能團。
圖例4：BC與NBC的XPS全譜及高分辨O1s、C1s譜
5.不同高壓均質條件下NBC的等效粒徑與粒徑分布
粒徑測試表明，均質壓力對NBC粒徑的影響遠大于均質時間，相同時間下壓力越高粒徑越?。?5min均質的NBC粒徑呈雙峰分布，小粒徑峰隨壓力升高而降低，大粒徑峰基本穩(wěn)定在440nm。
圖例5：不同高壓均質條件下NBC的等效粒徑與粒徑分布
6. 不同高壓均質操作條件下NBC的SEM表征
電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，隨HPH壓力和時間增加，NBC粒徑更細小均勻，120MPa下粒徑最優(yōu)；NBC小顆粒為球形/花狀團聚體，大顆粒為塊狀結構，明確了HPH的顆粒機械破碎機制。
圖例6：不同高壓均質操作條件下NBC的SEM表征
7. BC-EG與NBC-EG的自然沉降照片及NBC在EG中的分散穩(wěn)定機制
自然沉降實驗顯示，BC在EG中5天完全沉降，NBC無分散劑時可穩(wěn)定分散28天；其穩(wěn)定機制為NBC小粒徑、高比表面積可吸附EG分子，且表面含氧官能團與EG羥基形成氫鍵，增強結合力。
圖例7：BC-EG與NBC-EG的自然沉降照片及NBC在EG中的分散穩(wěn)定機制
8. NBC-EG的黏度、熱導率特性及熱導率增強機
黏度測試表明NBC濃度<1wt.% 時對EG黏度影響可忽略，濃度升高則黏度顯著增加；熱導率隨NBC濃度和溫度升高而提升，80℃時5wt.%NBC-EG導熱率提升6.72%，提升機制為石墨化結構、納米顆粒布朗運動及液-粒界面類固體液層的熱橋作用。
圖例8：NBC-EG的黏度、熱導率特性及熱導率增強機制
9. 不同溫度下NBC-EG的性能增強比（PER）
通過PER值評估黏度與熱導率的權衡關系，發(fā)現(xiàn)0.1/0.5/1wt.% NBC-EG的PER全溫度<5，滿足車用冷卻液湍流換熱要求；3wt.% NBC-EG因黏度驟升PER超標，為NBC的實際應用劃定了適宜濃度范圍。
圖例9：不同溫度下NBC-EG的性能增強比(PER)
知識分享：研究亮點
1 采用高壓均質法以農業(yè)廢棄物芝麻秸稈為原料制備納米生物炭，并將其作為添加劑引入乙二醇基冷卻液，實現(xiàn)了該制備方法所得納米生物炭在乙二醇冷卻介質中應用研究。
2 所制納米生物炭無需添加分散劑即可在乙二醇中穩(wěn)定分散28天，且低濃度(<1wt.%)下對冷卻液黏度影響可忽略，解決了普通生物炭粒徑大、分散性差的痛點。
3 從石墨化結構、納米顆粒布朗運動及液-粒界面類固體液層三方面闡釋了納米生物炭提升乙二醇導熱性的機制，5wt.%添加量下80℃時導熱率提升6.72%，為車用熱管理系統(tǒng)提供了綠色、低成本的冷卻介質改性方案。
參考文獻：
Nanomaterials (IF 4.3) Pub Date : 2024-08-03 , DOI:10.3390/nano14151308
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