سنتز نانو ذرات TiO۲/MnO۲ جهت جذب انرژی خورشیدی و کاهش دمای سطوح

با افزایش تقاضای انرژی و تشدید اثرات زیست محیطی ناشی از سوخت های فسیلی بهره گیری از انرژی خورشیدی به عنوان منبعی پاک اهمیت بیشتری یافته است.[۱] با این حال مدیریت حرارت ناشی از جذب خورشیدی به ویژه در محیط های شهری و در حضور پدیده جزیره حرارتی یکی از چالش های مهم در کاربردهای مرتبط است. توسعه رنگ های جاذب و خنک کننده مبتنی بر نانوذرات، رویکردی نوآورانه برای جذب کارآمد تابش خورشیدی و کنترل دمای سطح ارائه می دهد.[۲] در این میان نانو ذرات TiO۲ با بازتابندگی بالا در VIS NIR و پایداری شیمیایی و نانوذرات MnO۲ با جذب انتخابی و ثبات حرارتی از مناسب ترین گزینه ها هستند.[۳]. ترکیب این دو نانوذره در یک ماتریس پلیمری می تواند پوششی فراهم کند که ضمن جذب موثر انرژی خورشیدی حرارت اضافی را به طور تابشی آزاد کرده و دمای سطوح را چندین درجه کاهش دهد.[۴] این مقاله با تکیه بر پیشینه پژوهشی بر سنتز و ارزیابی چنین رنگ هیبریدی برای بهبود کارایی حرارتی سطوح در اقلیم های گرم تمرکز دارد. در این پژوهش رنگ جاذب انرژی خورشیدی با هدف کاهش دمای سطوح و محیط در مناطق گرم و خشک، ایران به ویژه برای پوشش کولرهای آبی، بدنه خودروها و نماهای ساختمانی بر پایه نانوذرات ترکیبی اکسید تیتانیوم (TiO۲) با باندگپ ۲/۳ eV و دی اکسید منگنز (MnO۲) با باندگپ ۳/۱۵۷ سنتز و ارزیابی شد. نانو ذرات TiO۲ با روش سل-ژل از پیش ماده تیتانیوم تترا ایزوپروپوکساید (TTIP) و هیدروکلریک اسید (HCl) به عنوان کاتالیزور تحت هم زدن مغناطیسی اولتراسونیک ۴۲ kHz و کلسیناسیون ۴۵۰ درجه سانتی گراد و نانوذرات MnO۲ با روش ترسیب الکتروشیمیایی کاتدی از محلول نیترات منگنز ۰.۲۳ مولار ساخت مرک آلمان، دانسیته جریان ۳ میلی آمپر بر سانتیمتر مربع، دمای ۱۰ درجه سانتی گراد، خشک سازی ۲۸ ساعته در دمای اتاق و کلسیناسیون نهایی ۴۵۰ درجه سانتی گراد تهیه شدند؛ پودر ترکیبی حاصل در ماتریس پلیمری دیسپرس و به صورت لایه نشانی یکنواخت بر ورق های استیل و مس اعمال گردید. بررسی مورفولوژی با میکروسکوپ الکترونی روبشی عبوری (TEM) و FE-SEM نشان داد که بیشتر ذرات کروی با ابعاد عمدتا میکرومتری توزیع یکنواخت، پراکندگی مناسب و تراکم متناسب با ابعاد ذرات هستند. آزمون حرارتی با لامپ مادون قرمز، آشکارساز پرتو، فروسرخ آمپرمتر و دماسنج لیزری انجام شد و نتایج حاکی از جذب انتخابی بالای پرتوهای فرابنفش UVA با ۹۵ و UVB با ۵ از کل UV خورشیدی و فروسرخ نزدیک (NIR) و کاهش قابل توجه دمای سطح پوشش داده شده نسبت به سطح شاهد بود؛ به طوری که دمای سطح پوشش دار تا ۸-۱۲ درجه سانتی گراد کمتر از سطح بدون پوشش باقی ماند، نرخ افزایش دما به طور چشمگیری کندتر شد و انرژی درونی سطح به طور موثر کاهش یافت. این عملکرد ناشی از برانگیختگی الکترون ها در باندگپ های متفاوت دو نانوذره، جذب پرانرژی ترین بخش های طیف خورشیدی ۲۰۰-۲۵۰۰ (نانومتر شامل ۹۶ انرژی فرابنفش، ۴۳ فروسرخ و ۴۶ نور مرئی)، تبدیل آن به گرمای قابل کنترل و کاهش عبور انرژی به لایه های زیرین است.[۲]. دستاوردهای کلیدی پژوهش عبارتند از: (۱) سنتز ساده، سبز، تکرارپذیر و کم هزینه نانوذرات ترکیبی TiO۲/MnO۲ بدون نیاز به تجهیزات پیچیده، (۲) دستیابی به ضریب جذب بالاتر و عبور انرژی کمتر در مقایسه با سطوح معمولی، روکش های پارچه ای و روش های سنتی سایه بان و یخ گذاری کولرهای آبی، (۳) کاهش واقعی و قابل اندازه گیری دمای سطوح در معرض تابش مستقیم خورشید که خطر گرمازدگی، آسیب به موتور و پمپ کولرهای آبی، ترک خوردگی چوب و استاتیک الکتریکی را به طور چشمگیری کاهش می دهد، (۴) ارائه راه حلی کاملا بومی، زیست سازگار و مقرون به صرفه برای مقابله با جزیره گرمایی شهری، کاهش مصرف برق سرمایشی و افزایش آسایش حرارتی در مناطق گرم سیر ایران. این رنگ جاذب خنک کننده می تواند به عنوان جایگزین پایدار و بادوام روش های سنتی پوشش کولرهای آبی پشت بام ها، بدنه خودروها و سطوح شهری مورد استفاده قرار گیرد و گامی عملی و موثر در جهت مدیریت هوشمند حرارت محیطی با فناوری نانو در ایران به شمار می رود.

کلیدواژه ها:

پوشش جاذب خورشیدی ، نانو کامپوزیت TiO۲/MnO۲ ، مدیریت حرارتی ، سطوح ، نانوذرات اکسیدی