Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của chất lưu chứa ống

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Nguyễn Trọng Tâm

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT

CỦA CHẤT LƯU CHỨA ỐNG NANO CACBON TRONG

HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

Hà Nội – 2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------

Nguyễn Trọng Tâm

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT

CỦA CHẤT LƯU CHỨA ỐNG NANO CACBON TRONG

HẤP THỤ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Vật liệu điện tử

Mã sỗ: 9 44 01 23

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. GS. TS. Phan Ngọc Minh

2. TS. Bùi Hùng Thắng

Hà Nội – 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đề tài: “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của

chất lưu chứa ống nano cacbon trong hấp thụ năng lượng mặt trời” là công trình

của tôi. Tất cả các xuất bản được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học

và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án. Các

kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ

trong bất cứ luận án nào khác.

Tác giả luận án

Nguyễn Trọng Tâm

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin bảy tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới hai người thầy

hướng dẫn là GS. TS Phan Ngọc Minh và TS. Bùi Hùng Thắng, những người thầy đã

tận tâm hướng dẫn, định hướng cách tư duy, cách làm việc khoa học, hết lòng giúp

đỡ, động viên trong suốt thời gian tác giả làm nghiên cứu, hoàn thành luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Văn Chúc, TS. Phạm Văn Trình, ThS.

Nguyễn Ngọc Anh, TS. Trần Văn Hậu, ThS. Mai Thị Phượng, KS. Lê Đình Quang,

TS. Cao Thị Thanh, TS. Nguyễn Văn Tú, TS. Phan Ngọc Hồng, TS. Nguyễn Tuấn

Hồng – những người đã luôn giúp đỡ, ủng hộ cũng như có những đóng góp kiến thức

về chuyên môn giúp tôi hoàn thành bản luận án này.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ,

Viện Khoa học vật liệu - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam cùng các

cán bộ trong Học viện, Viện Khoa học vật liệu đã quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện

thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Đại học Hàng hải Việt Nam, tập thể cán

bộ Bộ môn Vật lý Khoa Cơ sở - Cơ bản đã tạo điều kiện giúp đỡ cho tôi làm luận án

nghiên cứu sinh.

Nhân dịp này tôi xin dành những tình cảm chân thành nhất tới những người

thân trong gia đình: Cha, mẹ, anh, chị, em và những người bạn của tôi là: Trần Thị

Hà, Nguyễn Việt Tuyên, Trần Mạnh Đạt, Lê Quý, … đã động viên, hỗ trợ tôi vượt

qua những khó khăn.

Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm sâu sắc và biết ơn tới vợ và con, bằng

tình yêu thương, sự quan tâm và chia sẻ, đã cho tôi nghị lực thực hiện thành công

luận án.

Tác giả

Nguyễn Trọng Tâm

i

NỘI DUNG

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT............................................ iv

DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................v

DANH MỤC CÁC HÌNH......................................................................................... vi

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CHẤT LỎNG NANO TRONG HẤP THỤ NĂNG

LƯỢNG MẶT TRỜI ..................................................................................................5

1.1. Giới thiệu chất lỏng nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời.......................5

1.2. Ứng dụng chất lỏng chứa hạt nano trong hấp thụ năng lượng mặt trời ........8

1.2.1. Cơ chế nâng cao hệ số dẫn nhiệt và hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt

trời ................................................................................................................8

1.2.1. Bộ thu nhiệt và máy nước nóng năng lượng mặt trời.............................9

1.2.2. Hệ lưu trữ năng lượng nhiệt .................................................................25

1.2.3. Pin mặt trời...........................................................................................26

1.2.4. Hệ chưng cất năng lượng mặt trời .......................................................28

1.3. Những khả năng ứng dụng chất lỏng chứa hạt nano trong lĩnh vực năng lượng

mặt trời trong tương lai..........................................................................................30

1.3.1. Hệ thống quang nhiệt điện....................................................................30

1.3.2. Pin nhiệt điện........................................................................................31

1.3.3. Ao mặt trời ............................................................................................32

1.3.4. Các khả năng khác................................................................................35

1.4. Những thách thức khi sử dụng chất lỏng nano............................................35

1.5. Giới thiệu về chất lỏng chứa ống nano cacbon ...........................................36

1.5.1. Tính chất của vật liệu CNTs .................................................................36

ii

1.5.2. Tiềm năng ứng dụng của CNTs cho chất lỏng hấp thụ năng lượng mặt

trời ..............................................................................................................38

1.5.3. Vai trò của việc biến tính CNTs............................................................39

1.5.4. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp biến tính CNTs.............................40

CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM

...................................................................................................................................47

2.1. Phương pháp tính toán lý thuyết..................................................................47

2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu ......................................................................47

2.2.1. Quy trình biến tính CNTs......................................................................47

2.2.2. Quy trình chế tạo chất lỏng nano .........................................................49

2.3. Các phép đo thực nghiệm............................................................................50

2.3.1. Các phép đo hình thái...........................................................................50

2.3.2. Các phép đo quang ...............................................................................52

2.3.3. Các phép đo nhiệt .................................................................................52

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT.............................................54

3.1. Mô hình tính toán độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano chứa CNTs.................54

3.1.1. Mô hình độ dẫn nhiệt của Hemanth và Patel..............................................54

3.1.2. Mô hình tính toán lý thuyết độ dẫn nhiệt của nhóm B.H. Thang ................55

3.2. Phát triển mô hình tính toán cải tiến cho hỗn hợp chất lỏng EG/DI ...........56

3.2.1. Mô hình lý thuyết ..................................................................................56

3.2.2. So sánh mô hình với kết quả thực nghiệm đã công bố .........................61

3.3. Nghiên cứu mô hình lý thuyết tính chất quang và hấp thụ nhiệt của chất lỏng

nano .....................................................................................................................62

3.3.1. Định luật Lambert-Beer ..............................................................................63

3.3.2. Tán xạ Rayleigh...........................................................................................63

iii

3.3.3. Lý thuyết Maxwell- Garnett.........................................................................64

3.3.4. Lý thuyết Mie và Gans.................................................................................65

3.3.5. Một số kết quả thu được từ các mô hình trên..............................................65

3.3.6. Mô hình tính toán chuyển hóa năng lượng mặt trời thành nhiệt của chất lỏng

nano .....................................................................................................................69

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM....................................73

4.1. Biến tính CNTs............................................................................................73

4.2. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là nước cất................................................79

4.3. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là ethylene glycol .....................................87

4.4. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là hỗn hợp EG/DI.....................................92

4.5. Chất lỏng nano chứa CNTs nền là dầu Silicone..........................................95

4.6. Bitumen chứa CNTs..................................................................................102

4.7. Thử nghiệm ứng dụng bitumen/CNTs hấp thụ năng lượng mặt trời.........108

4.7.1. Nghiên cứu lựa chọn động cơ hấp thụ năng lượng mặt trời ..............108

4.7.2. Hệ phát điện sử dụng động cơ nhiệt Stirling hấp thụ năng lượng mặt trời

dạng đĩa hội tụ (dish- Stirling).........................................................................113

4.7.3. Sử dụng bitumen/CNTs trong hệ hấp thụ năng lượng mặt trời dish￾Stirling ............................................................................................................113

KẾT LUẬN.............................................................................................................118

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................120

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CNTs Ống nano cacbon (Carbon nanotubes)

CVD Lắng đọng hóa học từ pha hơi (Chemical vapor deposition)

DI Nước cất (Deionized Water)

EG Ethylen glycol

EG/DI Hỗn hợp ethylen glycol với nước cất

FTIR

Phổ hồng ngoại biến đổi fourier (Fourier-transform infrared

spectroscopy)

MWCNTs Ống nano cacbon đa tường (Multiwalled carbon nanotubes)

SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning electron microscope)

SWCNTs

Ống nano cacbon đơn tường (Single-walled carbon

nanotubes)

TEM

Kính hiển vi điện từ truyền qua (Transmission electron

microscopy)

TBC Độ dẫn nhiệt tiếp xúc (Thermal boundary conductance)

TBR Trở kháng nhiệt tiếp xúc (Thermal boundary resistance)

v

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. So sánh hiệu quả kinh tế của bộ thu năng lượng mặt trời truyền thống và

bộ thu năng lượng mặt trời sử dụng chất lỏng nano ................................................21

Bảng 1.2. So sánh giữa năng lượng biểu hiện của bộ thu năng lượng mặt trời truyền

thống và bộ thu năng lượng mặt trời sử dụng chất lỏng nano .................................22

Bảng 1.3. Lượng khí phát thải của bộ thu truyền thống và bộ thu năng lượng mặt trời

dùng chất lỏng nano .................................................................................................24

Bảng 1.4. Danh mục các chất so sánh độ dẫn nhiệt .................................................38

Bảng 4.1. Tính chất của bitumen ............................................................................103

vi

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình chương 1

Hình 1.1. Sơ đồ bộ thu nhiệt tấm phẳng .....................................................................9

Hình 1.2. Bộ thu nhiệt ống chân không ....................................................................10

Hình 1.3. Bộ thu máng parabol .................................................................................10

Hình 1.4. Bộ thu chảo parabol ..................................................................................11

Hình 1.5. Sơ đồ bộ thu hấp thụ trực tiếp năng lượng mặt trời dùng chất lỏng nano 12

Hình 1.6. Ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích hạt nano lên hiệu suất bộ thu ......................12

Hình 1.7. Ảnh hưởng của kích thước hạt lên hiệu suất của bộ thu ..........................13

Hình 1.8. Sơ đồ thí nghiệm của bộ thu nhiệt mặt trời của nhóm Otanicar .............13

Hình 1.9. Ảnh hưởng của các loại chất lỏng nano lên hiệu suất .............................14

Hình 1.10. Ảnh hưởng của kích thước, tỉ lệ thể tích tới hiệu suất ...........................15

Hình 1.11. a) Sơ đồ thiết kế bộ thu năng lượng mặt trời với chất lỏng nano tại tâm

và có lắp kính. b) Chất lỏng nano ở trung tâm và không có lớp kính. c) Tháp năng

lượng truyền thống với chất rắn hấp thụ năng lượng mặt trời .................................15

Hình 1.12. Sơ đồ bộ thu nhiệt mặt trời chảo parabol sử dụng chất lỏng nano ........16

Hình 1.13. So sánh hiệu suất hấp thụ nhiệt của bộ thu chảo parabol dùng chất lỏng

nano so với bộ thu truyền thống ...............................................................................16

Hình 1.14. Bộ thu năng lượng mặt trời bản phẳng ..................................................17

Hình 1.15. Sơ đồ bộ thí nghiệm tấm thu năng lượng mặt trời .................................18

Hình 1.16. Hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời sử dụng chất lỏng nano Al2O3

và không có chất hoạt hóa bề mặt ...........................................................................19

Hình 1.17. Hiệu suất của bộ thu năng lượng mặt trời tấm phẳng với chất lỏng nano

cacbon đa tường với các nồng độ pH khác nhau so với nước ở tốc độ dòng chảy

0,0333 kg/s ...............................................................................................................19

vii

Hình 1.18. Ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích hạt nano trong chất lỏng nano lên hệ số Nusselt

trong hệ thống làm mát pin năng lượng mặt trời .....................................................27

Hình 1.19. Sơ đồ thí nghiệm thiết bị chưng cất năng lượng mặt trời sử dụng chất lỏng

nano ...........................................................................................................................29

Hình 1.20. Sơ đồ của hệ quang nhiệt điện ................................................................30

Hình 1.21. Pin nhiệt điện...........................................................................................31

Hình 1.22. Sơ đồ thí nghiệm pin nhiệt điện sử dụng chất lỏng nano........................32

Hình 1.23. Sơ đồ ao mặt trời.....................................................................................33

Hình 1.24. Mật độ muối trong ao mặt trời ...............................................................34

Hình 1.25. Sơ đồ thí nghiệm sử dụng chất lỏng nano trong ao mặt trời...................34

Hình 1.26. Sơ đồ ống nano cacbon được tạo từ các tấm graphene...........................37

Hình 1.27. So sánh độ dẫn nhiệt của một số chất theo số thứ tự ở Bảng 1.4............38

Hình 1.28. Hai cách sắp xếp khác nhau để chức năng hóa CNTs ...........................43

Hình 1.29. Gắn thêm hạt nano Ag vào các nhóm chức của CNTs ..........................44

Hình 1.30. Sơ đồ chức năng hóa CNTs bằng chất nhạy sáng pyrylium ..................45

Hình chương 2

Hình 2.1. Ảnh SEM của CNTs chế tạo bằng phương pháp CVD.............................48

Hình 2.2. Quy trình gắn nhóm chức -COOH lên CNTs ...........................................49

Hình 2.3. Quy trình gắn nhóm OH lên CNTs...........................................................49

Hình 2.4. Quy trình chế tạo chất lỏng nano ..............................................................49

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý máy đo Zetasizer Nano ZS ............................................51

Hình 2.6. Sơ đồ máy đo quang phổ...........................................................................52

Hình 2.7. Sơ đồ nguyên lý đo độ dẫn nhiệt...............................................................52

Hình 2.8. Thiết bị mô phỏng bức xạ năng lượng mặt trời ........................................53

Hình chương 3

viii

Hình 3.1. So sánh kết quả tính toán lý thuyết của H E Patel với kết quả thực nghiệm

của nhóm nghiên cứu Hwang trong trường hợp phân tán CNTs vào nước cất ........54

Hình 3.2. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm của nhóm

Hwang .......................................................................................................................56

Hình 3.3. Mô hình tính độ dẫn nhiệt hiệu dụng của CNTs.......................................60

Hình 3.4. So sánh mô hình lý thuyết với mô hình thực nghiệm của Kumaresan trong

trường hợp phân tán MWCNT trong hỗn hợp EG/DI...............................................62

Hình 3.5. Sự suy giảm ánh sáng theo khoảng cách trong chất lỏng nano chứa

MWCNT ...................................................................................................................66

Hình 3.6. Hệ số dập tắt tính toán theo lý thuyết theo mô hình Rayleigh..................66

Hình 3.7. Hệ số dập tắt đo được................................................................................67

Hình 3.8. So sánh hệ số dập tắt tính toán lý thuyết theo mô hình Rayleigh và thực

nghiệm ......................................................................................................................67

Hình 3.9. Hệ số dập tắt tính theo mô hình Maxwell-Garnett (MG) của các chất lỏng

nano so sánh với thực nghiệm (EXP) ......................................................................68

Hình 3.10. So sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả hai mô hình lý thuyết ....68

Hình 3.11. Mô hình tính toán khả năng chuyển hóa quang thành nhiệt của chất lỏng

nano ...........................................................................................................................69

Hình 3.12. Đồ thị tăng nhiệt độ của chất lỏng nano CNTs/EG ................................71

Hình 3.13. Đồ thị tăng nhiệt độ của chất lỏng nano CNTs/DI..................................72

Hình chương 4

Hình 4.1. Phổ FTIR của CNTs–COOH với thời gian khuấy trong axit khác nhau ..73

Hình 4.2. Ảnh HRTEM của CNTs (a,b), mẫu biến tính C3 (c,d), mẫu C5 (e,f), và mẫu

C7 (g,h) .....................................................................................................................75

Hình 4.3. Phổ Raman (a) và tỉ số cường độ ID/IG (b) của CNTs và CNTs-COOH...76

Hình 4.4. Phổ FTIR truyền qua của CNTs biến tính gắn nhóm chức –OH..............77

ix

Hình 4.5. Phổ Raman của CNTs chưa biến tính (bên dưới), CNTs biến tính gắn nhóm

chức OH (bên trên)....................................................................................................77

Hình 4.6. Ảnh HRTEM của CNTs và CNTs-OH .....................................................78

Hình 4.7. Phổ phân bố kích thước và thế zeta của chất lỏng nano C3, C5, C7 với cùng

hàm lượng CNTs 0,8% thể tích.................................................................................80

Hình 4.8. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano theo hàm lượng CNTs ở 30oC..............81

Hình 4.9. Khớp hàm theo lý thuyết EMT dựa trên kết quả thực nghiệm .................83

Hình 4.10. So sánh kết quả thực nghiệm với mô hình lý thuyết cho mẫu C5 ..........85

Hình 4.11. Sơ đồ thiết bị khảo sát khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời ...............85

Hình 4.12. Khả năng chuyển hóa quang nhiệt của chất lỏng nano CNTs/DI...........86

Hình 4.13. Phổ phân bố kích thước của chất lỏng nano CNTs/EG với các hàm lượng

khác nhau ..................................................................................................................88

Hình 4.14. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano CNTs/EG............................................88

Hình 4.15. Phổ truyền qua của chất lỏng nano CNTs/EG ........................................90

Hình 4.16. Khả năng hấp thụ nhiệt ánh sáng mặt trời của chất lỏng nano ethylen

glycol chứa CNTs .....................................................................................................90

Hình 4.17. Khả năng chuyển hóa quang nhiệt của chất lỏng nano CNTs/EG..........91

Hình 4.18. Phổ phân bố kích thước của chất lỏng nano CNTs/EG-DI.....................92

Hình 4.19. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano CNTs/EG-DI theo hàm lượng CNTs .93

Hình 4.20. So sánh kết quả lý thuyết với kết quả thực nghiệm ................................94

Hình 4.21. Khả năng hấp thụ nhiệt mặt trời của chất lỏng nano CNTs/EG-DI........94

Hình 4.22. Cấu trúc của dầu silicone ........................................................................95

Hình 4.23. Phổ phân bố kích thước của CNTs-COOH trong dầu silicone với thời gian

rung siêu âm là 60 phút (a) và 100 phút (b). .............................................................96

x

Hình 4.24. Sự phân bố kích thước của CNTs-COOH trong dầu silicone sau thời gian

rung siêu âm 150 phút (a) và 180 phút (b)................................................................97

Hình 4.25. Độ dẫn nhiệt của chất lỏng nano CNTs/silicone.....................................98

Hình 4.26. Khả năng hấp thụ nhiệt ánh sáng mặt trời của chất lỏng nano CNTs/dầu

silicone ......................................................................................................................98

Hình 4.27. Phổ truyền qua của chất lỏng nano CNTs/dầu silicone. .........................99

Hình 4.28. Sự hấp thụ bước sóng 550 nm của CNTs/dầu silicone theo nồng độ. Ở

nồng độ 50 mg/l, khả năng hấp thụ tăng 55% so với dầu silicone nguyên chất. ......99

Hình 4.29. Sự hấp thụ năng lượng mặt trời theo chiều sâu của chất lỏng ..............101

Hình 4.30. Sơ đồ hấp thụ năng lượng mặt trời của dầu silicone chứa CNTs .........101

Hình 4.31. Sơ đồ chế tạo hỗn hợp CNTs/bitumen..................................................104

Hình 4.32. Hệ chế tạo vật liệu CNTs/bitumen........................................................104

Hình 4.33. Độ kim lún tại 25oC của các mẫu bitumen theo hàm lượng CNTs.......105

Hình 4.34. Độ bền kéo tại 25oC của các mẫu bitumen theo hàm lượng CNTs ......106

Hình 4.35. Điểm hóa mềm của vật liệu theo nồng độ CNTs..................................107

Hình 4.36. Sự chuyển hóa quang nhiệt của CNTs/bitumen....................................107

Hình 4.37. Phân loại động cơ Stirling theo đặc điểm cấu tạo: alpha (a); beta (b);

gamma (c) ...............................................................................................................109

Hình 4.38. Chu trình Carnot và Stiling biểu diễn trong đồ thị pV..........................110

Hình 4.39. Các quá trình làm việc của động cơ Stirling........................................111

Hình 4.40. Giản đồ pha của cặp pittong phụ -pittong lực trong động cơ Stirling cấu

hình gamma.............................................................................................................112

Hình 4.41. Sơ đồ hệ thống phát điện sử dụng động cơ Stirling hấp thụ năng lượng

mặt trời ....................................................................................................................113

Hình 4.42. Thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời sử dụng động cơ Stirling............114

xi

Hình 4.43. Sơ đồ chuyển hóa năng lượng của hệ thống năng lượng mặt trời dish￾Stirling.....................................................................................................................114

Hình 4.44. Thử nghiệm hệ thống phát điện năng lượng mặt trời dish-Stirling sử dụng

chất lỏng nano ở điều kiện thực tế ..........................................................................115