基于栴柳藤提取物绿色合成氧化石墨烯-铜纳米杂化材料及其纳米流体的光热性能研究

《RSC Advances》：Photothermal properties of a nanofluid containing graphene oxide-copper nanoparticle hybrid materials prepared by using Paramignya trimera extract

本研究针对传统纳米流体光热转换效率有限的问题，通过绿色合成方法制备了GO-CuNP杂化材料，并系统评估了其纳米流体的热导率和光热性能。结果表明，该纳米流体在0.04 vol%浓度下光热转换效率达62%，较去离子水提升约3倍，为太阳能热利用提供了高效新材料。

　　

随着全球对可再生能源需求的日益增长，太阳能热利用技术因其清洁、可持续的特性受到广泛关注。在太阳能收集系统中，直接吸收式太阳能集热器（DASC）通过纳米流体作为工作介质直接吸收太阳光并转换为热能，可有效消除吸热器与集热器之间的热阻。然而，传统纳米流体存在光热转换效率低、稳定性差以及纳米粒子易团聚等问题，制约了其实际应用。氧化石墨烯（GO）和铜纳米粒子（CuNP）因其优异的热导性和光学特性被视为理想候选材料，但单一组分纳米流体性能仍有局限。例如，GO在水中易因π-π堆积而团聚，CuNP则存在易氧化和稳定性不足的缺陷。因此，开发新型杂化纳米材料，通过协同效应提升综合性能成为研究热点。

在此背景下，越南科学技术研究院的Nguyen Van Hao团队在《RSC Advances》发表论文，报道了一种利用栴柳藤（Paramignya trimera）提取物绿色合成GO-CuNP杂化材料的新方法，并系统研究了其纳米流体的光热性能。该研究通过植物提取物中的生物活性成分实现铜离子的还原与稳定，避免了传统化学合成中的毒性试剂，为环境友好型纳米流体的制备提供了新思路。

研究团队采用的主要技术方法包括：通过Hummers法制备GO基底，利用栴柳藤提取物（采自越南富国岛）作为还原剂和稳定剂，在水相中一步法合成GO-CuNP杂化材料；通过场发射扫描电镜（FESEM）、透射电镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等技术表征材料形貌与结构；采用紫外-可见光谱（UV-vis）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析光学特性及化学组成；通过热导率仪和自定义光热转换系统（AM 1.5G模拟太阳光）评估纳米流体的热传输与光热效率。

3.1 GO-CuNP杂化材料的结构特征

SEM和TEM结果显示，CuNP均匀锚定在GO片层表面，平均尺寸为8.5纳米，HRTEM显示晶格间距0.209纳米对应Cu的（111）晶面。XRD谱中43.2°和50.4°的衍射峰进一步证实金属Cu的形成，Scherrer公式计算晶粒尺寸约10.7纳米。UV-vis光谱显示GO-CuNP在260纳米和529纳米处出现特征吸收峰，分别对应GO的π-π*跃迁和CuNP的表面等离子体共振。FTIR分析表明栴柳藤提取物中的酚类、黄酮类化合物参与Cu²⁺还原过程，并在523厘米^-1处出现Cu-O振动峰，证实杂化界面相互作用。比表面积测试显示GO-CuNP的S_BET达189.02平方米/克，较纯GO（160.11平方米/克）显著提升。

3.2 杂化材料的形成机制

研究提出三步形成机制：首先Cu²⁺通过静电作用吸附于GO的羧基、羟基位点；其次栴柳藤多酚类化合物提供电子将Cu²⁺还原为Cu⁰；最后植物代谢物中的羰基等基团包覆CuNP抑制团聚。Raman光谱中I_D/I_G值从GO的0.73增至GO-CuNP的1.03，表明CuNP修饰引入缺陷位点。

3.3 纳米流体的稳定性与热导率

Zeta电位测试表明，0.01-0.03 vol%浓度下纳米流体电位绝对值介于30.8-38.5毫伏，具有良好胶体稳定性；0.04 vol%时出现-15.4毫伏和-393.2毫伏双峰，提示粒子聚集倾向。热导率测试显示，GO-CuNP纳米流体在30-55°C范围内热导率提升4-15%，且优于单一GO或CuNP纳米流体。理论模型分析发现，传统Maxwell-Garnett和Hamilton-Crosser模型高估热导率，而Chu模型通过引入界面热阻（R_K）更贴合实验数据，表明界面效应是性能优化关键。

3.4 光热性能分析

光学测试表明，随GO-CuNP浓度增加，纳米流体透光率下降，消光系数和吸光度显著提升。在AM 1.5G照射下，0.04 vol%纳米流体最高温度达48.1°C，较水温提升37%；光热转换效率（PTE）在照射20分钟时达62%，为去离子水（18%）的3.4倍。性能优势归因于GO的宽谱吸收与CuNP等离子体效应的协同，以及杂化结构促进的热输运。

该研究通过绿色合成策略成功构建了高性能GO-CuNP杂化纳米流体，解决了单一纳米材料易团聚、稳定性差的核心问题。其光热转换效率的提升和良好的环境相容性，为太阳能集热系统、光热器件等应用提供了新材料设计范式。未来研究可进一步优化杂化比例与表面修饰策略，探索其在高温高压条件下的长期稳定性与规模化应用潜力。