CN106010466A - 一种功能化石墨烯复合熔盐及其制备方法 - Google Patents

一种功能化石墨烯复合熔盐及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种功能化石墨烯复合熔盐及其制备方法。所述功能化石墨烯复合熔盐，包括功能化石墨烯和熔盐，所述功能化石墨烯与熔盐的质量比为01∶100～20∶100。本发明功能化石墨烯复合熔盐的制备方法，包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯加入到去离子水中超声分散，加入氢氧化物水溶液，反应后分离得到功能化石墨烯；(2)将熔盐和功能化石墨烯按质量比加热混合；(3)冷却制得功能化石墨烯复合熔盐。本发明制得的功能化石墨烯复合熔盐热传导率高，储热密度大，制备工艺简单，生产成本低。

Description

一种功能化石墨烯复合熔盐及其制备方法
技术领域
本发明属于熔盐技术领域，具体涉及一种功能化石墨烯复合熔盐及其制备方法。
背景技术
水、有机流体、烟气和空气占据能源利用、热传递应用领域的90％，但由于它们热传递系数小，使用温度低等原因，在某些领域范围受到限制。熔盐不仅可以在高温(≥500℃)时使用，而且具有良好的热传递和稳定性，在化学、石化、太阳能电池及冶金等行业得到广泛应用。熔盐储热材料主要有碳酸盐、氯化盐、氟化盐和硝酸盐等，其中硝酸盐的性能最为适合作熔盐储热材料，因此硝酸熔融盐在传热蓄热应用中较为常见。目前对于硝酸熔盐作为传热蓄热介质主要有以下几个方面的研究，如硝酸熔盐材料的熔点、潜热、导热率、体积膨胀率、上限使用温度等物化性质、硝酸熔盐热稳定性和热力学等，硝酸熔盐作为传热蓄热介质在太阳能光、热发电和太阳能制氢中的应用，以及硝酸熔盐材料特性对硝酸熔盐在太阳能光热发电、太阳能制氢、橡胶盐浴硫化等方面流动性能及热量交换的影响等。近年来，随着对熔盐储热材料的研究深入，国内外学者利用复合手段制备出了性能优异的熔盐复合材料，包括熔盐-陶瓷基复合材料、熔盐-金属基复合材料、熔盐-膨胀石墨复合材料等。该类熔盐复合材料由于热传导率高、储热密度大，受到业界的广泛关注。将泡沫镍(金属基)与碳酸盐复合，得到新型的熔盐-金属基复合材料，研究发现金属镍的加入提高了碳酸盐的蓄热密度和导热系数。将膨胀石墨与硝酸钾、硝酸钠的二元熔盐复合，通过冷压制备了熔盐-膨胀石墨复合材料，研究结果表明，膨胀石墨的加入使与二元熔盐的导热率提高了15％～20％，且该复合材料的储能密度高，可循环使用。因此，利用复合技术制备高性能的熔盐复合材料是当前研究的热点之一。
石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有高强度、高导电率、高导热率和高比表面积等特性，其中单层石墨烯的导热系数高达5300W/mK。由氧化法制得的氧化石墨烯作为石墨烯的重要衍生物，其结构和性质与石墨烯基本相同，由于其表面含有一定量的羟基、羧基、环氧基等，除主要的导热性能优良外，还具有一些其他独特性质。利用功能化石墨烯复合熔盐制备新型的复合储热材料，通过改变功能化石墨烯的含量、表面性能等，提高其在熔盐中的分散性，改善熔盐各项性能，从而扩大其应用范围，为实现熔盐传热蓄热材料的高性能化提供了一种新的途径。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的问题，提供一种热传导率高，储热密度大，工艺简单，生产成本低的功能化石墨烯复合熔盐及其制备方法。
本发明公开了一种功能化石墨烯复合熔盐，包括功能化石墨烯和熔盐，所述功能化石墨烯与熔盐的质量比为0.1∶100～20∶100(1/1000～1/5)。
作为优选，所述熔盐为硝酸钾、硝酸钠、硝酸锂、硝酸钙、硝酸铝中两种或两种以上混合物。
作为优选，所述功能化石墨烯为氧化石墨烯、钠化石墨烯、钾化石墨烯、锂化石墨烯、钠-钾化石墨烯、钾-锂化石墨烯或钠-锂化石墨烯。
本发明还公开了一种功能化石墨烯复合熔盐的制备方法，包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯加入到去离子水中超声分散，加入氢氧化物水溶液，反应后分离得到功能化石墨烯；(2)将熔盐和功能化石墨烯按质量比加热混合；(3)冷却制得功能化石墨烯复合熔盐。
作为优选，所述步骤(1)中，超声分散时间为2小时，加入氢氧化物水溶液，调节反应液的pH值为8～10，常温搅拌3～8小时，分离得到功能化石墨烯。
作为优选，所述氢氧化物为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂中的一种或两种混合物。进一步优选，其中氢氧化钠和氢氧化钾混合物中氢氧化钠与氢氧化钾的质量比为100/10～100/50，氢氧化钾和氢氧化锂混合物中氢氧化钾与氢氧化锂的质量比为100/10～100/50，氢氧化钠和氢氧化锂混合物中氢氧化钠与氢氧化锂的质量比为100/10～100/50。
作为优选，所述步骤(2)中，将熔盐干燥后，置于带超声和搅拌装置的加热器中，升温至熔盐熔化，按质量比加入功能化石墨烯，超声搅拌2～10小时。
作为优选，所述熔盐为硝酸钾、硝酸钠、硝酸锂、硝酸钙、硝酸铝、亚硝酸钠中两种或两种以上混合物。
本发明带来的有益效果是：
本发明制得的功能化石墨烯复合熔盐具有热传导率高、储热密度大，可循环重复使用的优势。通过功能化改性对石墨烯进行化学修饰，制得多种碱金属功能化的石墨烯材料。石墨烯的离子化作用，增加了其表面的极性，有利于其在熔盐中的分散性，从而提高了功能化石墨烯对熔盐热物性的影响。本发明所述的功能化石墨烯复合熔盐中石墨烯片层的阻隔作用改善了熔盐的热稳定性能，提高了熔盐的上限使用温度。片状的石墨烯材料具有大的比表面积和高导热率，在熔盐中加入石墨烯材料提高了熔盐热传导性能。本发明所述的功能化石墨烯复合熔盐适用范围广、热传导效果好、性能稳定；本发明所述的功能化石墨烯复合熔盐制备操作简便，成本低廉，易于工业化生产。
具体实施方式
下面通过实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例1
在100mL去离子水中加入1g氧化石墨烯超声分散2小时，滴加1.0mol/L氢氧化钠的水溶液，调节反应液的pH值至8，常温搅拌反应8小时，分离得功能化石墨烯，收率为98.1％。将60％硝酸钾、30％硝酸钠、9％硝酸锂组成的混合物放在120℃烘箱内烘干12小时，经机械混合后，置于带超声和搅拌装置的加热器中，升温至熔盐熔化，再加入功能化石墨烯，功能化石墨烯与熔盐的质量比为0.1∶100，超声并搅拌混合2小时，冷却后碾磨至粉状，制得功能化石墨烯复合熔盐，测得功能化石墨烯复合熔盐的热传导率为0.934W/mK。
实施例2
在100mL去离子水中加入1g氧化石墨烯超声分散2小时，滴加1.0mol/L氢氧化物的水溶液，氢氧化物为氢氧化钠和氢氧化钾混合物，氢氧化钠与氢氧化钾的质量比为100∶50，反应液的pH值为10，反应时间为3小时，收率为96.8％。将57％硝酸钾和43％硝酸钠组成的混合物放在120℃烘箱内烘干12小时，经机械混合后，置于带超声和搅拌装置的加热器中，升温至熔盐熔化，再加入功能化石墨烯，功能化石墨烯与熔盐的质量比为0.1∶100，超声并搅拌混合10小时，冷却后碾磨至粉状，制得功能化石墨烯复合熔盐，测得功能化石墨烯复合熔盐的热传导率为0.516W/mK。
实施例3
在100mL去离子水中加入1g氧化石墨烯超声分散2小时，滴加1.0mol/L氢氧化物的水溶液，氢氧化物为氢氧化钠和氢氧化锂混合物，氢氧化钠与氢氧化锂的质量比为100∶10，反应液的pH值为9.5，反应时间为5小时，收率为98.3％。将53％硝酸钠、7％硝酸钾和40％亚硝酸钠组成的混合物放在120℃烘箱内烘干12小时，经机械混合后，置于带超声和搅拌装置的加热器中，升温至熔盐熔化，再加入功能化石墨烯，功能化石墨烯与熔盐的质量比为5∶100，超声并搅拌混合7小时，冷却后碾磨至粉状，制得功能化石墨烯复合熔盐，测得功能化石墨烯复合熔盐的热传导率为1.226W/mK。
实施例4
在100mL去离子水中加入1g氧化石墨烯超声分散2小时，滴加1.0mol/L氢氧化物的水溶液，氢氧化物为氢氧化钠和氢氧化锂混合物，氢氧化钠与氢氧化锂的质量比为100.0∶10.0，反应液的pH值为9.5，反应时间为5小时，收率为98.3％。将44％硝酸钠、16％硝酸钾、33％亚硝酸钠和7％硝酸钙组成的混合物放在120℃烘箱内烘干12小时，经机械混合后，置于带超声和搅拌装置的加热器中，升温至熔盐熔化，再加入功能化石墨烯，功能化石墨烯与熔盐的质量比为20∶100，超声并搅拌混合5小时，冷却后碾磨至粉状，制得功能化石墨烯复合熔盐，测得功能化石墨烯复合熔盐的热传导率为4.312W/mK。
实施例5
在100mL去离子水中加入1g氧化石墨烯超声分散2小时，滴加1.0mol/L氢氧化物的水溶液，氢氧化物为氢氧化锂，反应液的pH值为10，反应时间为4小时，收率为93.8％。将30％硝酸钠和70％硝酸钾组成的混合物放在120℃烘箱内烘干12小时，经机械混合后，置于带超声和搅拌装置的加热器中，升温至熔盐熔化，再加入功能化石墨烯，功能化石墨烯与熔盐的质量比为12.5∶100，超声并搅拌混合6.5小时，冷却后碾磨至粉状，制得功能化石墨烯复合熔盐，测得功能化石墨烯复合熔盐的热传导率为2.496W/mK。
实施例6
在100mL去离子水中加入1g氧化石墨烯超声分散2小时，滴加1.0mol/L氢氧化物的水溶液，氢氧化物为氢氧化钾和氢氧化锂混合物，氢氧化钾与氢氧化锂的质量比为100∶35，反应液的pH值为8.5，反应时间为6小时，收率为95.2％。将45％硝酸钠和55％硝酸锂组成的混合物放在120℃烘箱内烘干12小时，经机械混合后，置于带超声和搅拌装置的加热器中，升温至熔盐熔化，再加入功能化石墨烯，功能化石墨烯与熔盐的质量比为0.5∶100，超声并搅拌混合6.5小时，冷却后碾磨至粉状，制得功能化石墨烯复合熔盐，测得功能化石墨烯复合熔盐的热传导率为0.875W/mK。
实施例7
在100mL去离子水中加入1g氧化石墨烯超声分散2小时，滴加1.0mol/L氢氧化物的水溶液，氢氧化物为氢氧化钾，反应液的pH值为9，反应时间为7小时，收率为97.4％。将53％硝酸钠、14％硝酸钾、27％亚硝酸钠和6％硝酸钙组成的混合物放在120℃烘箱内烘干12小时，经机械混合后，置于带超声和搅拌装置的加热器中，升温至熔盐熔化，再加入功能化石墨烯，功能化石墨烯与熔盐的质量比为3.5∶100，超声并搅拌混合8.5小时，冷却后碾磨至粉状，制得功能化石墨烯复合熔盐，测得功能化石墨烯复合熔盐的热传导率为1.149W/mK。
本发明的热传导率测定：采用瞬态双热线法，利用DRE-2A导热系数测试仪(湘潭市仪器仪表有限公司，湖南)，测得功能化石墨烯复合熔盐的热传导率。
本发明制备的功能化石墨烯复合熔盐热传导率高，储热密度大，可循环重复使用。制备工艺简单，生产成品低，可广泛应用于化学、石化、太阳能电池及冶金等行业，
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种功能化石墨烯复合熔盐，其特征在于包括功能化石墨烯和熔盐，所述功能化石墨烯与熔盐的质量比为0.1∶100～20∶100。
2.根据权利要求1所述的一种功能化石墨烯复合熔盐，其特征在于所述熔盐为硝酸钾、硝酸钠、硝酸锂、硝酸钙、硝酸铝中两种或两种以上混合物。
3.根据权利要求1所述的一种功能化石墨烯复合熔盐，其特征在于所述功能化石墨烯为氧化石墨烯、钠化石墨烯、钾化石墨烯、锂化石墨烯、钠-钾化石墨烯、钾-锂化石墨烯或钠-锂化石墨烯。
4.一种功能化石墨烯复合熔盐的制备方法，其特征在于包括如下步骤：(1)将氧化石墨烯加入到去离子水中超声分散，加入氢氧化物水溶液，反应后分离得到功能化石墨烯；(2)将熔盐和功能化石墨烯按质量比加热混合；(3)冷却制得功能化石墨烯复合熔盐。
5.根据权利要求4所述的一种功能化石墨烯复合熔盐的制备方法，其特征在于所述步骤(1)中，超声分散时间为2小时，加入氢氧化物水溶液，调节反应液的pH值为8～10，常温搅拌3～8小时，分离得到功能化石墨烯。
6.根据权利要求4所述的一种功能化石墨烯复合熔盐的制备方法，其特征在于所述氢氧化物为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂中的一种或两种。
7.根据权利要求4或5所述的一种功能化石墨烯复合熔盐的制备方法，其特征在于所述步骤(2)中，将熔盐干燥后，置于带超声和搅拌装置的加热器中，升温至熔盐熔化，按质量比加入功能化石墨烯，超声搅拌2～10小时。
8.根据权利要求4所述的一种功能化石墨烯复合熔盐的制备方法，其特征在于所述熔盐为硝酸钾、硝酸钠、硝酸锂、硝酸钙、硝酸铝、亚硝酸钠中两种或两种以上混合物。
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