不同长径比单壁碳纳米管对熔融碳酸盐热物理性能的分子机制研究：界面压缩层与能量协同效应

本文通过分子动力学(MD)模拟创新性地利用单壁碳纳米管(SWCNT)的一维管状结构，系统研究了不同长径比(L/R=1.99-7.98)对Na2CO3-K2CO3熔盐基纳米流体在1150-1450K高温下的热导率(λ)和比热容(Cp)的影响，揭示了L/R通过增大接触面积改变库仑势(Ecoul)和分子能(Emol)从而形成致密界面压缩层的增强机制，为聚光太阳能发电(CSP)储热材料设计提供新思路。

　　

Highlight

单壁碳纳米管(SWCNT)作为碳纳米材料的杰出代表，凭借其独特的一维管状结构和卓越的轴向导热性能，在提升熔盐基纳米流体热物理性能方面展现出巨大潜力。本研究通过精确调控SWCNT的长径比(L/R)这一关键形态参数，首次在分子尺度揭示了纳米管几何特性与熔盐热力学行为的内在关联。

Simulation model

图1展示了热储能系统的模拟构型，其中图1(b)呈现了不同长径比(L/R)的SWCNT/熔融碳酸盐纳米流体模型。采用Materials Studio软件构建初始模型，并通过LAMMPS软件包进行全原子分子动力学模拟。基础体系为摩尔比58:42的Na₂CO₃-K₂CO₃二元碳酸盐，包含5220个Na⁺、3780个K⁺和4500个CO₃^2?。

Density

熔盐密度是影响聚光太阳能电站(CSP)经济性的关键参数。为验证模型可靠性，本研究首先计算了Na₂CO₃-K₂CO₃在1150-1450K高温区间的密度变化，并与文献实验值(Exp)、实验预测值(Exp-P)及模拟值(Sim)进行对比（图4）。

Conclusion

本研究从分子视角为下一代CSP电站熔盐材料设计提供了重要理论支撑，系统探究了SWCNT长径比(L/R)对1wt%纳米流体在分散状态下热物理性能的影响规律。研究发现：较大L/R值的SWCNT能显著提升体系热性能，当长径比达7.98时，体系热导率和比热容相对基础熔盐最大增幅分别达7.92%和2.78%。这种增强效应源于L/R增大导致的SWCNT-熔盐离子接触面积扩展，进而引发体系库仑势(E_coul)和分子能(E_mol)的协同变化，促进界面压缩层形成更致密的结构排列。