2024年08月03日，侯献军团队在期刊《Nanomaterials》上发表题为" Nano-Biochar Prepared from High-Pressure Homogenization Improves Thermal Conductivity of Ethylene Glycol-Based Coolant "的研究论文。
该团队利用ag尊龙凯时HPH-L2型高压均质机以农业废弃物芝麻秸秆为原料，经热解制得原始生物炭(BC)并进行碱改性后，成功制备出纳米生物炭(NBC)，实验证实，该设备能有效将生物炭粒径从微米级降至纳米级。
研究背景
汽车动力系统升级对热管理系统要求趋严，纳米流体是理想的车用冷却介质，但现有金属/金属氧化物纳米颗粒易沉降、有环境危害，碳纳米材料则成本高且制备需危险化学品，生物炭虽环保、低成本且具导热潜力，却因粒径大、分散性差，ag尊龙凯时在乙二醇类液体冷却介质中的传热研究极少；纳米生物炭可解决上述短板，高压均质法又是绿色高效的纳米材料制备手段，因此，提出高压均质法制备的纳米生物炭应用于乙二醇基冷却液的相关研究。
1. 芝麻秸秆热解特性与NBC-EG冷却液制备流程
研究团队通过TGA-FTIR分析确定芝麻秸秆最优热解温度为515℃，并明确其热解过程的气体释放规律；同时展示NBC-EG(nano-biochar-ethylene glycol，纳米生物炭-乙二醇)冷却液制备全流程，即芝麻秸秆经热解制BC、碱改性+高压均质(HPH-L2)制NBC，最终与EG超声混合，得到目标冷却液。
图例1：芝麻秸秆热解特性与NBC-EG冷却液制备流程
2. 生物质、BC、NBC的SEM与AFM表征
通过SEM和AFM表征发现，高压均质技术将生物炭粒径从微米级降至纳米级，NBC在乙醇中分散性良好，干燥态虽有团聚但单维尺寸低于100nm，为其在EG中的分散性提供微观支撑。
图例2：生物质、BC、NBC的SEM与AFM表征
3. 生物质、BC、NBC的FTIR与拉曼光谱表征
FTIR结果显示碱改性让NBC含氧官能团较BC显著增加；拉曼光谱中NBC的I_D/I_G 低于BC，证明HPH-L2提升了生物炭内部石墨化程度，降低了结构缺陷密度。
图例3：生物质、BC、NBC的FTIR与拉曼光谱表征
4. BC与NBC的XPS全谱及高分辨O1s、C1s谱
XPS分析证实NBC表面O含量及C-O、C=O等含氧官能团占比远高于BC，Ca、Mg 含量，与FTIR结果相互印证，说明改性富集了生物炭表面含氧官能团。
图例4：BC与NBC的XPS全谱及高分辨O1s、C1s谱
5.不同高压均质条件下NBC的等效粒径与粒径分布
粒径测试表明，均质压力对NBC粒径的影响远大于均质时间，相同时间下压力越高粒径越小；15min均质的NBC粒径呈双峰分布，小粒径峰随压力升高而降低，大粒径峰基本稳定在440nm。
图例5：不同高压均质条件下NBC的等效粒径与粒径分布
6. 不同高压均质操作条件下NBC的SEM表征
电镜观察发现，随HPH压力和时间增加，NBC粒径更细小均匀，120MPa下粒径最优；NBC小颗粒为球形/花状团聚体，大颗粒为块状结构，明确了HPH的颗粒机械破碎机制。
图例6：不同高压均质操作条件下NBC的SEM表征
7. BC-EG与NBC-EG的自然沉降照片及NBC在EG中的分散稳定机制
自然沉降实验显示，BC在EG中5天完全沉降，NBC无分散剂时可稳定分散28天；其稳定机制为NBC小粒径、高比表面积可吸附EG分子，且表面含氧官能团与EG羟基形成氢键，增强结合力。
图例7：BC-EG与NBC-EG的自然沉降照片及NBC在EG中的分散稳定机制
8. NBC-EG的黏度、热导率特性及热导率增强机
黏度测试表明NBC浓度<1wt.% 时对EG黏度影响可忽略，浓度升高则黏度显著增加；热导率随NBC浓度和温度升高而提升，80℃时5wt.%NBC-EG导热率提升6.72%，提升机制为石墨化结构、纳米颗粒布朗运动及液-粒界面类固体液层的热桥作用。
图例8：NBC-EG的黏度、热导率特性及热导率增强机制
9. 不同温度下NBC-EG的性能增强比（PER）
通过PER值评估黏度与热导率的权衡关系，发现0.1/0.5/1wt.% NBC-EG的PER全温度<5，满足车用冷却液湍流换热要求；3wt.% NBC-EG因黏度骤升PER超标，为NBC的实际应用划定了适宜浓度范围。
图例9：不同温度下NBC-EG的性能增强比(PER)
知识分享：研究亮点
1 采用高压均质法以农业废弃物芝麻秸秆为原料制备纳米生物炭，并将其作为添加剂引入乙二醇基冷却液，实现了该制备方法所得纳米生物炭在乙二醇冷却介质中应用研究。
2 所制纳米生物炭无需添加分散剂即可在乙二醇中稳定分散28天，且低浓度(<1wt.%)下对冷却液黏度影响可忽略，解决了普通生物炭粒径大、分散性差的痛点。
3 从石墨化结构、纳米颗粒布朗运动及液-粒界面类固体液层三方面阐释了纳米生物炭提升乙二醇导热性的机制，5wt.%添加量下80℃时导热率提升6.72%，为车用热管理系统提供了绿色、低成本的冷却介质改性方案。
参考文献：
Nanomaterials (IF 4.3) Pub Date : 2024-08-03 , DOI:10.3390/nano14151308
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