CN113319274B - 石墨烯-金属复合纳米流体的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于纳米流体化学材料技术领域,具体涉及一种石墨烯‑金属复合纳米流体的制备方法。所述的石墨烯‑金属复合纳米流体的制备方法,首先合成m‑s‑m型双子表面活性剂溶液,然后用m‑s‑m型双子表面活性剂分别修饰氧化石墨烯和金属前驱体,最后将两种混合溶液混合反应,得到石墨烯‑金属复合纳米流体。本发明提供一种石墨烯‑金属复合纳米流体的制备方法,制备的石墨烯‑金属复合纳米流体可长期稳定存在,有效防止复合纳米材料团聚造成的沉降,导热系数提高,热稳定性好,有效解决应用过程中微管路堵塞问题,方法简单,易于推广。
Description
技术领域
本发明属于纳米流体化学材料技术领域,具体涉及一种石墨烯-金属复合纳米流体的制备方法。
背景技术
纳米流体是传热领域的创新纳米技术,纳米流体表现出了更高的稳定性、更好的流变性能和更高的热导率的优势,复合纳米流体是将两种或多种不同类型的纳米材料组合悬浮在水等基液中制备而成的,它同时结合了不同纳米材料的物理和化学性质并在均匀分散的流体中起作用,复合纳米流体表现出更好的传热性能和热物理性能。
Hummers法是通过氧化−剥离−还原的的途径制作还原氧化石墨烯的方法,该方法时效性较好,制备过程安全。石墨烯纳米片具有优异的导热性和传热系数,加上其具有发达的比表面积再加上其独特的电子迁移性能,非常适宜作为载体与纳米金属组装得到石墨烯纳米金属复合材料。如何将石墨烯纳米片及其复合材料制备成分散性好、稳定性高及不易团聚的纳米流体,是制备石墨烯-金属复合纳米流体的关键,也是其作为高效传热工质的前提。目前主要是利用非共价技术(物理吸附)将石墨烯纳米片分散在不同的溶剂中,像表面活性剂和芳香族化合物等在石墨烯纳米片表面的吸附,同时保留了石墨烯纳米片的sp2结构,但是仍然会不稳定容易造成复合纳米材料沉降脱落,表面活性剂的使用使纳米流体的导热系数下降,在应用过程中造成管路堵塞问题。
专利CN106735286B公开了一种氧化石墨烯/金纳米复合材料及其制备方法和应用,首先将氧化石墨烯超声分散在去离子水中,配成氧化石墨烯分散液;然后通过还原法得到金纳米粒子溶胶:最后将金溶胶和氧化石墨烯分散液机械混合得到氧化石墨烯/金纳米复合物,经过光热分析数据表明,微量金溶胶的加入能够显著增强氧化石墨烯分散液制备太阳能蒸汽,相比单纯的氧化石墨烯分散液以及金溶胶而言,加入金溶胶以后,纳米流体光热转化效率得到很大提升,但是得到的混合液中金属易沉降脱落的问题,没有得到改善,直接混合机械搅拌制得,热稳定时间较短。
专利CN112908956A公开了一种金属氧化物/石墨烯复合流体及其制备方法与应用,首先利用十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯烷酮活性剂制备氧化锌纳米流体或者二氧化钛纳米流体,然后利用相同的活性剂,利用物理方法制备得石墨烯纳米流体,最后将以上的金属氧化物和石墨烯纳米流体混合震荡,超声制得金属氧化物/石墨烯复合流体,并且制备的复合流体在热管中作为导热流体应用,制备的复合流体分散性好、导热性好;但是金属氧化物/石墨烯复合流体是分别制备的金属氧化物纳米流体和石墨烯纳米流体,然后再将两种纳米流体直接混合得到,金属氧化物和石墨烯是分别存在与纳米流体中的,稳定性较差。
专利CN109401731A公开了一种两亲性高分子负载纳米流体及其制备方法,首先将亲水性单体、疏水性单体与拟分散的纳米粒子氧化石墨烯及有机溶剂混合,加入自由基引发剂,然后将混合液冷却至室温,经过滤,洗涤,干燥后得到高分子负载纳米粒子,与基液混合,超声得到两亲性高分子负载纳米流体,以高分散程度状态存在而不易聚集、脱落和失活,制备的纳米流体不易发生团聚,稳定性好。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种石墨烯-金属复合纳米流体的制备方法,制备的石墨烯-金属复合纳米流体可长期稳定存在,有效防止复合纳米材料团聚造成的沉降,导热系数提高,热稳定性好,有效解决应用过程中微管路堵塞问题,方法简单,易于推广。
本发明所述的石墨烯-金属复合纳米流体的制备方法,包括以下步骤:
(1)合成m-s-m型双子表面活性剂,其中m和s分别表示疏水尾基中碳原子的个数和间隔基中碳原子的个数,m-s-m型双子表面活性剂的结构由两个疏水尾基、两个亲水头基、间隔基组成,两个疏水尾基和两个亲水头基通过间隔基连接;
(2)HUMMERS法制得氧化石墨烯;
(3)将氧化石墨烯在水或者水与乙二醇混合液中超声得到氧化石墨烯悬浮液,然后边超声边加入m-s-m型双子表面活性剂溶液,得到表面修饰的氧化石墨烯悬浮液;
(4)将m-s-m型双子表面活性剂溶液与金属前驱体溶液混合,得到混合液;
(5)将步骤(4)得到的混合液滴加至表面修饰的氧化石墨烯悬浮液中,50-80℃混合搅拌,加入还原剂,调节pH至9-10,恒温反应1.5-3h,得到石墨烯-金属复合纳米流体。
m-s-m型双子表面活性剂为季铵盐型双子表面活性剂或者磺酸盐型双子表面活性剂,其中m=10,12,14,16;s=2,3,4,6。
季铵盐型双子表面活性剂是由脂肪烷基二甲基叔胺与二溴代烷烃制得的;磺酸盐型双子表面活性剂是由烷基伯胺、1,3-丙磺酸内酯与二溴代烷烃制得的。
脂肪烷基二甲基叔胺为N-癸烷基-N,N-二甲基叔胺、N-十二烷基-N,N-二甲基叔胺、N-十四烷基-N,N-二甲基叔胺、N-十六烷基-N,N-二甲基叔胺中的一种;二溴代烷烃为1,2-二溴乙烷、1,3-二溴丙烷、1,4-二溴丁烷、1,6-二溴己烷中的一种;烷基伯胺为癸胺、十二胺、十四胺、十六胺中的一种。
石墨烯-金属复合纳米流体复合材料的总量在流体中的质量分数为0.01%~2%。
氧化石墨烯与金属前驱体的质量比为1:3~2:1。
步骤(3)中的m-s-m型双子表面活性剂与氧化石墨烯的质量比为1:1~3:1;
步骤(4)中的m-s-m型双子表面活性剂与金属前驱体的质量比为1:1~3:1。
还原剂为硼氢化钠、葡萄糖、氢氧化钠中的一种或多种;
还原剂与氧化石墨烯的质量比为2:1~10:1。
金属前驱体为氯金酸、硝酸银、氯铂酸中的一种。
进一步得,石墨烯-金属复合纳米流体的制备方法中:
HUMMERS法制得氧化石墨烯(GO)步骤为:
将石墨粉、浓硫酸、重铬酸钾和五氧化二磷,放入干净的烧瓶中,磁力搅拌,放入油浴锅中80℃加热6h,反应结束后,加入200ml水稀释,静置24h;然后将粗产品过滤,用去离子水洗至中性,固体粗产品自然晾干;再将干燥好的粗产品放入烧杯中,加入0℃浓硫酸,边搅拌边加入高锰酸钾,控制温度5-20℃搅拌4h;再置于冰水浴中加水稀释,磁力搅拌2h;反应结束,加水稀释,再加过氧化氢溶液至不再产生气泡为止,且溶液全部变成亮黄色;离心,用去离子水洗至中性,80℃真空干燥48h后得到氧化石墨烯。
季铵盐型双子表面活性剂([m-s-m]2Br-)的制备方法为:
将脂肪烷基二甲基叔胺与二溴代烷烃按照摩尔比1:2混合,然后加入与原料体积比为0.5:1~1:1的异丙醇,磁力搅拌,在80-87℃加热回流12-24h,回流结束,用提纯试剂进行重结晶,无水乙醚洗涤,40℃真空烘干,其中所用的脂肪烷基二甲基叔胺为N-十四烷基-N,N-二甲基叔胺,二溴代烷烃为1,2-二溴乙烷,制备得到乙烷-1,2(N-十四烷基-N,N-二甲基)溴化铵,即季铵盐型双子表面活性剂[14-2-14]2Br-;其分子结构如下所示:
磺酸盐型双子表面活性剂([m-s-m](SO3)2)的制备方法为:
将烷基伯胺与1,3-丙磺酸内酯按照质量比1:1混合溶于无水乙醇中,80℃加热搅拌回流24h,蒸出乙醇,用乙醚洗涤得到的固体,然后用甲醇与丙酮(1:4)混合溶剂对所得固体进行重结晶,得到N-十二烷基-N-丙磺酸;再将N-十二烷基-N-丙磺酸与1,6-二溴己烷按照摩尔比2:1混合,加入甲醇、回流48h后,蒸出甲醇,用乙醇与丙酮按照体积比2:1混合溶剂进行重结晶提纯,所用烷基伯胺为十二胺,制得磺酸盐型双子表面活性剂,即12-6-12(SO3)2型双子表面活性剂;其分子结构如下所示:
脂肪烷基二甲基叔胺为N-癸烷基-N,N-二甲基叔胺、N-十二烷基-N,N-二甲基叔胺、N-十四烷基-N,N-二甲基叔胺、N-十六烷基-N,N-二甲基叔胺中的一种。
二溴代烷烃为1,2-二溴乙烷、1,3-二溴丙烷、1,4-二溴丁烷、1,6-二溴己烷中的一种;
提纯试剂为乙醇和丙酮、异丙醇和乙醚、乙醇和乙酸乙酯中的一组。
烷基伯胺为癸胺、十二胺、十四胺、十六胺中的一种。
本发明中的石墨烯纳米片表面的疏水性,与m-s-m型双子表面活性剂的非共价功能化和m-s-m型双子表面活性剂具有许多独特的自组装性质,以及具有两亲结构的一系列不同链长、不同亚甲基间隔的双子表面活性剂,制备出稳定的石墨烯-金属复合纳米流体;本发明采用HUMMERS法处理得氧化石墨烯,在水和乙二醇基液中,超声分散GO,还原前加入双子表面活性剂对GO进行表面修饰,加入金属离子还原生成纳米金属沉积在石墨烯表面,利用纳米金属与石墨烯组装技术,采用氯金酸、硝酸银、氯铂酸作为前驱体制备一系列石墨烯-金属复合纳米流体,纳米金属颗粒均匀分布在石墨烯纳米带或纳米片上,阻止石墨烯团聚;本发明的石墨烯-金属复合纳米流体的制备方法,石墨烯、金属盐前躯体的摩尔比和双子表面活性剂的种类和用量,纳米金属负载量,相互协同,制备出分散性稳定性好的石墨烯-金属复合纳米流体,进一步应用于微管路中,解决堵塞、导热问题。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明制备的的石墨烯-金属复合纳米流体,导热系数提高,悬浮量提高;
(2)本发明制备的的石墨烯-金属复合纳米流,可长期稳定存在,有效防止复合纳米材料团聚造成的沉降,造成微管路的堵塞问题;
(3)本发明制备的的石墨烯-金属复合纳米流体,具有较好的热稳定性,在90-130℃温度条件下加热处理2-6小时后仍可稳定分散,制备方法简单,易于推广。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
所述的石墨烯-金复合纳米流体的制备方法,包括以下步骤:
(1)合成季铵盐型双子表面活性剂12-4-12:将10.8g的1,4-二溴丁烷,23.4g的N-十二烷基-N,N-二甲基叔胺与40mL的异丙醇溶剂混合,放入250mL圆底烧瓶中,85℃加热回流24小时,回流结束后,取出样品用体积比为1:10的乙醇与丙酮混合液进行重结晶提纯,再用无水乙醚洗涤,40℃真空烘干,制备得到丁烷-1,4(N-十二烷基-N,N-二甲基)溴化铵,即[12-4-12]2Br-;
(2)制备氧化石墨烯(GO):将1g石墨粉、5mL浓硫酸、1g重铬酸钾和1g五氧化二磷,放入干净的烧瓶中,磁力搅拌,放入油浴锅中80℃加热6h,反应结束后,加入200mL水稀释,静置24h;然后将粗产品过滤,用去离子水洗至中性,固体粗产品自然晾干;再将干燥好的粗产品放入烧杯中,加入50mL0℃浓硫酸,边搅拌边加入高锰酸钾6g,控制温度5-20℃搅拌4h;再置于冰水浴中加入100mL水稀释,磁力搅拌2h;反应结束后,加入300mL水稀释,再加入过氧化氢溶液至不再产生气泡为止,且溶液全部变成亮黄色;离心,用去离子水洗至中性,80℃真空干燥48h后得到氧化石墨烯;
(3)将0.064gGO在20mL水中超声30min得到GO悬浮液,然后将0.064g的12-4-12型双子表面活性剂加入20mL水中,边超声边滴加入GO悬浮液中,得到GO-Gem悬浮液;
(4)将3.2mL的0.01g/mL的氯金酸溶液,然后将0.075g的12-4-12型双子表面活性剂加入20mL水中,混合以上溶液得到氯金酸和双子表面活性剂(氯金酸-Gem)混合溶液;
(5)将氯金酸-Gem的混合溶液滴加至GO-Gem悬浮液中,80℃混合搅拌,加入10mL浓度为12.8mg/mL的硼氢化钠加入上述溶液,然后加入氢氧化钠调节pH至9-10,恒温反应2h,得到石墨烯-金复合纳米流体。
以上石墨烯-金复合纳米流体的复合纳米颗粒的含量为0.30wt%,石墨烯-金复合纳米流体中的纳米金颗粒平均粒径为7.0nm,粒径分布为3-12.6nm,采用Decagon公司的KD2pro热热性分析仪测定在30℃下与纳米流体的基液相比,导热系数提高2.8%;
所制备石墨烯-金复合纳米流体常温放置30天后沉降量为6.5%,再将以上石墨烯-金复合纳米流体分别在90、100、120、130℃下加热处理2h后,然后常温放置30天沉降量分别为8.6%,10.2%、12%、15.3%。
实施例2
所述的石墨烯-金复合纳米流体的制备方法,包括以下步骤:
(1)合成季铵盐型双子表面活性剂16-6-16:将12.2g的1,6-二溴己烷,29.6g的N-十六烷基-N,N-二甲基叔胺与40mL的异丙醇溶剂混合,放入250mL圆底烧瓶中,85℃加热回流24小时,回流结束后,取出样品用体积比为1:10的乙醇与丙酮混合液进行重结晶提纯,再用无水乙醚洗涤,40℃真空烘干,制备得到己烷-1,6(N-十六烷基-N,N-二甲基)溴化铵,即[16-6-16]2Br-;
(2)制备氧化石墨烯(GO):将1g石墨粉、5mL浓硫酸、1g重铬酸钾和1g五氧化二磷,放入干净的烧瓶中,磁力搅拌,放入油浴锅中80℃加热6h,反应结束后,加入200mL水稀释,静置24h;然后将粗产品过滤,用去离子水洗至中性,固体粗产品自然晾干;再将干燥好的粗产品放入烧杯中,加入50mL0℃浓硫酸,边搅拌边加入高锰酸钾6g,控制温度5-20℃搅拌4h;再置于冰水浴中加入100mL水稀释,磁力搅拌2h;反应结束后,加入300mL水稀释,再加入过氧化氢溶液至不再产生气泡为止,且溶液全部变成亮黄色;离心,用去离子水洗至中性,80℃真空干燥48h后得到氧化石墨烯;
(3)将0.06gGO在20mL水中超声30min得到GO悬浮液,然后将0.075g的16-6-16型双子表面活性剂加入20mL水中,边超声边滴加入GO悬浮液中,得到GO-Gem悬浮液;
(4)将18mL的0.01g/mL的氯金酸溶液,然后将0.54g的16-6-16型双子表面活性剂加入20mL水中,混合以上溶液得到氯金酸和双子表面活性剂(氯金酸-Gem)混合溶液;
(5)将氯金酸-Gem的混合溶液滴加至GO-Gem悬浮液中,80℃混合搅拌,加入28mL浓度为12.8mg/mL的硼氢化钠加入上述溶液,然后加入氢氧化钠调节pH至9-10,恒温反应2h,得到石墨烯-金复合纳米流体。
以上石墨烯-金复合纳米流体的复合纳米颗粒的含量为0.15wt%,石墨烯-金复合纳米流体中的纳米金颗粒平均粒径为6.8nm,粒径分布为3-12.6nm,采用Decagon公司的KD2pro热热性分析仪测定在30℃下与纳米流体的基液相比,导热系数提高2.5%;
所制备石墨烯-金复合纳米流体常温放置30天后沉降量为6.5%,再将以上石墨烯-金复合纳米流体分别在90、100、120、130℃下加热处理3h后,然后常温放置30天沉降量分别为8.7%,10.1%、11%、14.8%。
实施例3
所述的石墨烯-金复合纳米流体的制备方法,包括以下步骤:
(1)合成季铵盐型双子表面活性剂14-2-14:将9.4g的1,2-二溴乙烷,26.5g的N-十四烷基-N,N-二甲基叔胺与40mL的异丙醇溶剂混合,放入250mL圆底烧瓶中,85℃加热回流24小时,回流结束后,取出样品用体积比为1:10的乙醇与丙酮混合液进行重结晶提纯,再用无水乙醚洗涤,40℃真空烘干,制备得到乙烷-1,2(N-十四烷基-N,N-二甲基)溴化铵,即[14-2-14]2Br-;
(2)制备氧化石墨烯(GO):将1g石墨粉、5mL浓硫酸、1g重铬酸钾和1g五氧化二磷,放入干净的烧瓶中,磁力搅拌,放入油浴锅中80℃加热6h,反应结束后,加入200mL水稀释,静置24h;然后将粗产品过滤,用去离子水洗至中性,固体粗产品自然晾干;再将干燥好的粗产品放入烧杯中,加入50mL0℃浓硫酸,边搅拌边加入高锰酸钾6g,控制温度5-20℃搅拌4h;再置于冰水浴中加入100mL水稀释,磁力搅拌2h;反应结束后,加入300mL水稀释,再加入过氧化氢溶液至不再产生气泡为止,且溶液全部变成亮黄色;离心,用去离子水洗至中性,80℃真空干燥48h后得到氧化石墨烯;
(3)将0.06gGO在20mL水中超声30min得到GO悬浮液,然后将0.18g的14-2-14型双子表面活性剂加入20mL水中,边超声边滴加入GO悬浮液中,得到GO-Gem悬浮液;
(4)将6mL的0.01g/mL的氯金酸溶液,然后将0.06g的14-2-14型双子表面活性剂加入20mL水中,混合以上溶液得到氯金酸和双子表面活性剂(氯金酸-Gem)混合溶液;
(5)将氯金酸-Gem的混合溶液滴加至GO-Gem悬浮液中,80℃混合搅拌,加入46.8mL浓度为12.8mg/mL的硼氢化钠加入上述溶液,然后加入氢氧化钠调节pH至9-10,恒温反应2h,得到石墨烯-金复合纳米流体。
以上石墨烯-金复合纳米流体的复合纳米颗粒的含量为0.20wt%,石墨烯-金复合纳米流体中的纳米金颗粒平均粒径为7.1nm,粒径分布为3-12.6nm,采用Decagon公司的KD2pro热热性分析仪测定在30℃下与纳米流体的基液相比,导热系数提高2.6%;
所制备石墨烯-金复合纳米流体常温放置30天后沉降量为6.5%,再将以上石墨烯-金复合纳米流体分别在90、100、120、130℃下加热处理6h后,然后常温放置30天沉降量分别为8.5%,10.4%、13%、15.0%。
实施例4
所述的石墨烯-银复合纳米流体的制备方法,包括以下步骤:
(1)合成季铵盐型双子表面活性剂10-3-10:将10g的1,3-二溴丙烷,23g的N-癸烷基-N,N-二甲基叔胺与40mL的异丙醇溶剂混合,放入250mL圆底烧瓶中,85℃加热回流24小时,回流结束后,取出样品用体积比为1:10的乙醇与丙酮混合液进行重结晶提纯,再用无水乙醚洗涤,40℃真空烘干,制备得到丙烷-1,3(N-癸烷基-N,N-二甲基)溴化铵,即[10-3-10]2Br-;
(2)制备氧化石墨烯(GO):将1g石墨粉、5mL浓硫酸、1g重铬酸钾和1g五氧化二磷,放入干净的烧瓶中,磁力搅拌,放入油浴锅中80℃加热6h,反应结束后,加入200mL水稀释,静置24h;然后将粗产品过滤,用去离子水洗至中性,固体粗产品自然晾干;再将干燥好的粗产品放入烧杯中,加入50mL 0℃浓硫酸,边搅拌边加入高锰酸钾6g,控制温度5-20℃搅拌4h;再置于冰水浴中加入100mL水稀释,磁力搅拌2h;反应结束后,加入300mL水稀释,再加入过氧化氢溶液至不再产生气泡为止,且溶液全部变成亮黄色;离心,用去离子水洗至中性,80℃真空干燥48h后得到氧化石墨烯;
(3)将0.225g步骤(2)的GO在20mL水中超声30min得到GO悬浮液,然后将步骤(1)得到的0.45g的双子表面活性剂[10-3-10]2Br-加入20mL水,边超声边滴加入GO悬浮液中,得到GO-Gem悬浮液;
(4)将0.015g/mL的硝酸银溶液10mL,然后将0.045g的双子表面活性剂[10-3-10]2Br-加入20mL水中,混合以上溶液得到硝酸银和双子表面活性剂(硝酸银-Gem)混合溶液;
(5)将硝酸银-Gem的混合溶液滴加至GO-Gem悬浮液中,60℃混合搅拌,然后将0.7g葡萄糖和0.7g氢氧化钠溶于20mL水,将该葡萄糖和氢氧化钠混合液加入上述悬浮液中,60℃恒温搅拌反应3h,得到石墨烯-银复合纳米流体。
以上石墨烯-银复合纳米流体的复合纳米颗粒的含量为0.3wt%,石墨烯-银复合纳米流体中的纳米银颗粒平均粒径为22nm,粒径分布为8.2-35nm,在30℃下与纳米流体的基液相比,导热系数提高2.7%;
以上石墨烯-银复合纳米流体常温放置30天沉降量为8.4%,再将以上石墨烯-银复合纳米流体分别在90、100、120、130℃下加热处理2h后,然后常温放置30天沉降量分别为9.5%,10.5%、12.6%、20.3%。
实施例5
所述的石墨烯-铂复合纳米流体的制备方法,包括以下步骤:
(1)合成磺酸盐型双子表面活性剂[12-6-12](SO3)2:将9.3g十二胺与6g1,3-丙磺酸内酯混合溶于70mL无水乙醇中,80℃加热搅拌回流24h;将乙醇蒸出,用乙醚洗涤得到的固体;然后用体积比为1:4的甲醇与丙酮混合溶剂对所得固体进行重结晶,得到N-十二烷基-N-丙磺酸;再将7.7gN-十二烷基-N-丙磺酸与3g的1,6-二溴己烷混合加入60mL甲醇中,回流48h后,将甲醇蒸出,用体积比为2:1的乙醇与丙酮混合溶剂进行重结晶提纯,得到磺酸盐型双子表面活性剂[12-6-12](SO3)2;
(2)制备氧化石墨烯(GO):将1g石墨粉、5mL浓硫酸、1g重铬酸钾和1g五氧化二磷,放入干净的烧瓶中,磁力搅拌,放入油浴锅中80℃加热6h,反应结束后,加入200mL水稀释,静置24h;然后将粗产品过滤,用去离子水洗至中性,固体粗产品自然晾干;再将干燥好的粗产品放入烧杯中,加入50mL 0℃浓硫酸,边搅拌边加入高锰酸钾6g,控制温度5-20℃搅拌4h;再置于冰水浴中加入100mL水稀释,磁力搅拌2h;反应结束后,加入300mL水稀释,再加入过氧化氢溶液至不再产生气泡为止,且溶液全部变成亮黄色;离心,用去离子水洗至中性,80℃真空干燥48h后得到氧化石墨烯;
(3)将0.06g步骤(2)的GO在20mL水中超声30min得到GO悬浮液,然后将步骤(1)得到的0.15g的磺酸盐型双子表面活性剂[12-6-12](SO3)2加入20mL水,边超声边滴加入GO悬浮液中,得到GO-Gem悬浮液;
(4)将0.01g/mL的氯铂酸溶液3.2mL,然后将0.075g的双子表面活性剂[12-6-12](SO3)2加入20mL水中,混合以上溶液得到氯铂酸和双子表面活性剂(氯铂酸-Gem)混合溶液;
(5)将氯铂酸-Gem的混合溶液滴加至GO-Gem悬浮液中,60℃恒温搅拌,加入20mL浓度为12.8mg/mL的硼氢化钠加入上述溶液,60℃恒温搅拌反应2h,得到石墨烯-铂复合纳米流体。
以上石墨烯-铂复合纳米流体的复合纳米颗粒的含量为0.28wt%,石墨烯-铂复合纳米流体中的纳米铂颗粒平均粒径为5.4nm,在30℃下与纳米流体的基液相比,导热系数提高2.6%;
所制备石墨烯-铂复合纳米流体常温放置30天后沉降量为6.8%,再将以上石墨烯-金复合纳米流体分别在90、100、120、130℃下加热处理4h后,然后常温放置30天沉降量分别为9.2%,9.5%、12.5%、14.4%。
实施例6
所述的石墨烯-金复合纳米流体的制备方法,包括以下步骤:
(1)合成磺酸盐型双子表面活性剂[10-4-10](SO3)2:将8g癸胺与6g1,3-丙磺酸内酯混合溶于70mL无水乙醇中,80℃加热搅拌回流24h;将乙醇蒸出,用乙醚洗涤得到的固体;然后用体积比为1:4的甲醇与丙酮混合溶剂对所得固体进行重结晶,得到N-癸烷基-N-丙磺酸;再将7.4gN-癸烷基-N-丙磺酸与2.7g的1,4-二溴丁烷混合加入60mL甲醇中,回流48h后,将甲醇蒸出,用体积比为2:1的乙醇与丙酮混合溶剂进行重结晶提纯,得到磺酸盐型双子表面活性剂[10-4-10](SO3)2;
(2)制备氧化石墨烯(GO):将1g石墨粉、5mL浓硫酸、1g重铬酸钾和1g五氧化二磷,放入干净的烧瓶中,磁力搅拌,放入油浴锅中80℃加热6h,反应结束后,加入200mL水稀释,静置24h;然后将粗产品过滤,用去离子水洗至中性,固体粗产品自然晾干;再将干燥好的粗产品放入烧杯中,加入50mL 0℃浓硫酸,边搅拌边加入高锰酸钾6g,控制温度5-20℃搅拌4h;再置于冰水浴中加入100mL水稀释,磁力搅拌2h;反应结束后,加入300mL水稀释,再加入过氧化氢溶液至不再产生气泡为止,且溶液全部变成亮黄色;离心,用去离子水洗至中性,80℃真空干燥48h后得到氧化石墨烯;
(3)将0.06g步骤(2)的GO在20mL水中超声30min得到GO悬浮液,然后将步骤(1)得到的0.15g的磺酸盐型双子表面活性剂[10-4-10](SO3)2加入20mL水,边超声边滴加入GO悬浮液中,得到GO-Gem悬浮液;
(4)将0.01g/mL的氯金酸溶液3.2mL,然后将0.075g的双子表面活性剂[10-4-10](SO3)2加入20mL水中,混合以上溶液得到氯金酸和双子表面活性剂(氯金酸-Gem)混合溶液;
(5)将氯金酸-Gem的混合溶液滴加至GO-Gem悬浮液中,60℃恒温搅拌,加入20mL浓度为12.8mg/mL的硼氢化钠加入上述溶液,60℃恒温搅拌反应2h,得到石墨烯-金复合纳米流体。
以上石墨烯-金复合纳米流体的复合纳米颗粒的含量为0.25wt%,石墨烯-金复合纳米流体中的纳米铂颗粒平均粒径为12nm,在30℃下与纳米流体的基液相比,导热系数提高2.4%;
所制备石墨烯-铂复合纳米流体常温放置30天后沉降量为8.5%,再将以上石墨烯-金复合纳米流体分别在90、100、120、130℃下加热处理2h后,然后常温放置30天沉降量分别为10.2%,10.5%、14.5%、15.5%。
实施例7
所述的石墨烯-金复合纳米流体的制备方法,包括以下步骤:
(1)合成磺酸盐型双子表面活性剂[14-3-14](SO3)2:将10.7g十四胺与6g1,3-丙磺酸内酯混合溶于70mL无水乙醇中,80℃加热搅拌回流24h;将乙醇蒸出,用乙醚洗涤得到的固体;然后用体积比为1:4的甲醇与丙酮混合溶剂对所得固体进行重结晶,得到N-十四烷基-N-丙磺酸;再将7.9gN-十四烷基-N-丙磺酸与2.6g的1,3-二溴丙烷混合加入60mL甲醇中,回流48h后,将甲醇蒸出,用体积比为2:1的乙醇与丙酮混合溶剂进行重结晶提纯,得到磺酸盐型双子表面活性剂[14-3-14](SO3)2;
(2)制备氧化石墨烯(GO):将1g石墨粉、5mL浓硫酸、1g重铬酸钾和1g五氧化二磷,放入干净的烧瓶中,磁力搅拌,放入油浴锅中80℃加热6h,反应结束后,加入200mL水稀释,静置24h;然后将粗产品过滤,用去离子水洗至中性,固体粗产品自然晾干;再将干燥好的粗产品放入烧杯中,加入50mL 0℃浓硫酸,边搅拌边加入高锰酸钾6g,控制温度5-20℃搅拌4h;再置于冰水浴中加入100mL水稀释,磁力搅拌2h;反应结束后,加入300mL水稀释,再加入过氧化氢溶液至不再产生气泡为止,且溶液全部变成亮黄色;离心,用去离子水洗至中性,80℃真空干燥48h后得到氧化石墨烯;
(3)将0.06g步骤(2)的GO在20mL水中超声30min得到GO悬浮液,然后将步骤(1)得到的0.15g的磺酸盐型双子表面活性剂[14-3-14](SO3)2加入20mL水,边超声边滴加入GO悬浮液中,得到GO-Gem悬浮液;
(4)将0.01g/mL的氯金酸溶液3.2mL,然后将0.075g的双子表面活性剂[14-3-14](SO3)2加入20mL水中,混合以上溶液得到氯铂酸和双子表面活性剂(氯金酸-Gem)混合溶液;
(5)将氯金酸-Gem的混合溶液滴加至GO-Gem悬浮液中,60℃恒温搅拌,加入20mL浓度为12.8mg/mL的硼氢化钠加入上述溶液,60℃恒温搅拌反应2h,得到石墨烯-铂复合纳米流体。
以上石墨烯-金复合纳米流体的复合纳米颗粒的含量为0.27wt%,石墨烯-金复合纳米流体中的纳米金颗粒平均粒径为15nm,在30℃下与纳米流体的基液相比,导热系数提高2.9%;
所制备石墨烯-金复合纳米流体常温放置30天后沉降量为7.8%,再将以上石墨烯-金复合纳米流体分别在90、100、120、130℃下加热处理2h后,然后常温放置30天沉降量分别为9.6%,10.5%、14.2%、15.2%。
实施例8
所述的石墨烯-银复合纳米流体的制备方法,包括以下步骤:
(1)合成磺酸盐型双子表面活性剂[16-2-16](SO3)2:将12g十六胺与6g1,3-丙磺酸内酯混合溶于70mL无水乙醇中,80℃加热搅拌回流24h;将乙醇蒸出,用乙醚洗涤得到的固体;然后用体积比为1:4的甲醇与丙酮混合溶剂对所得固体进行重结晶,得到N-十六烷基-N-丙磺酸;再将8.3gN-十六烷基-N-丙磺酸与2.4g的1,2-二溴乙烷混合加入60mL甲醇中,回流48h后,将甲醇蒸出,用体积比为2:1的乙醇与丙酮混合溶剂进行重结晶提纯,得到磺酸盐型双子表面活性剂[16-2-16](SO3)2;
(2)制备氧化石墨烯(GO):将1g石墨粉、5mL浓硫酸、1g重铬酸钾和1g五氧化二磷,放入干净的烧瓶中,磁力搅拌,放入油浴锅中80℃加热6h,反应结束后,加入200mL水稀释,静置24h;然后将粗产品过滤,用去离子水洗至中性,固体粗产品自然晾干;再将干燥好的粗产品放入烧杯中,加入50mL 0℃浓硫酸,边搅拌边加入高锰酸钾6g,控制温度5-20℃搅拌4h;再置于冰水浴中加入100mL水稀释,磁力搅拌2h;反应结束后,加入300mL水稀释,再加入过氧化氢溶液至不再产生气泡为止,且溶液全部变成亮黄色;离心,用去离子水洗至中性,80℃真空干燥48h后得到氧化石墨烯;
(3)将0.06g步骤(2)的GO在20mL水中超声30min得到GO悬浮液,然后将步骤(1)得到的0.15g的磺酸盐型双子表面活性剂[16-2-16](SO3)2加入20mL水,边超声边滴加入GO悬浮液中,得到GO-Gem悬浮液;
(4)将0.015g/mL的硝酸银溶液10mL,然后将0.045g的双子表面活性剂[16-2-16](SO3)2加入20mL水中,混合以上溶液得到硝酸银和双子表面活性剂(硝酸银-Gem)混合溶液;
(5)将硝酸银-Gem的混合溶液滴加至GO-Gem悬浮液中,60℃恒温搅拌,加入20mL浓度为12.8mg/mL的硼氢化钠加入上述溶液,60℃恒温搅拌反应2h,得到石墨烯-银复合纳米流体。
以上石墨烯-银复合纳米流体的复合纳米颗粒的含量为0.28wt%,石墨烯-银复合纳米流体中的纳米银颗粒平均粒径为20.7nm,在30℃下与纳米流体的基液相比,导热系数提高2.8%;
所制备石墨烯-银复合纳米流体常温放置30天后沉降量为10.8%,再将以上石墨烯-银复合纳米流体分别在90、100、120、130℃下加热处理2h后,然后常温放置30天沉降量分别为14.5%,15.7%、20.2%、20.5%。
对比例1
一种氧化石墨烯/金纳米复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)氧化石墨烯分散液的制备:将1g石墨粉、5mL浓硫酸、1g重铬酸钾和1g五氧化二磷,放入干净的烧瓶中,磁力搅拌,放入油浴锅中80℃加热6h,反应结束后,加入200mL水稀释,静置24h;然后将粗产品过滤,用去离子水洗至中性,固体粗产品自然晾干;再将干燥好的粗产品放入烧杯中,加入50mL0℃浓硫酸,边搅拌边加入高锰酸钾6g,控制温度5-20℃搅拌4h;再置于冰水浴中加入100mL水稀释,磁力搅拌2h;反应结束后,加入300mL水稀释,再加入过氧化氢溶液至不再产生气泡为止,且溶液全部变成亮黄色;离心,用去离子水洗至中性,80℃真空干燥48h后得到氧化石墨烯;将氧化石墨烯粉末加入去离子水中,超声并搅拌使之均匀分散,配置成氧化石墨烯分散液;
(2)金溶胶的制备:0.015mol氯金酸加入到100mL水中煮沸,然后加入2mL浓度为0.015mol/mL的柠檬酸钠,溶液颜色由浅黄色变为酒红色,溶液搅拌沸腾15min停止反应,冷却至室温;
(3)氧化石墨烯/金复合材料的制备:将(1)得到氧化石墨烯分散液和(2)得到的金溶胶按照体积比为9:1混合,搅拌混合均匀,得到复合材料中金纳米粒子的质量分数为2.6‰。
以上氧化石墨烯/金复合材料,在30℃下与基液相比,导热系数提高2.0%;再将以上氧化石墨烯/金复合材料90、100、120、130℃下加热处理2h后均已沉降。
对比例2
一种金属氧化物/石墨烯复合流体的制备方法:
(1)制备金属氧化物纳米流体:在用乙醇和去离子水清洗过的烧杯中倒入100ml的水,加入1g的纳米氧化锌粉末,其粒径为50nm,然后进行磁力搅拌,转速为40r/min,温度控制为40℃,搅拌10min后,在烧杯中加入0.5g的十二烷基苯磺酸钠,继续进行搅拌,转速为40r/min,温度为40℃,搅拌时间为10min,将上述混合溶液置于高功率超声波分散机中,调节仪器功率为200W,控制其振荡模式为振荡5s,待机2s,一次分散时间为10min,完成每次分散后将腔室门打开20min,进行降温,一共进行3次超声波分散,分散完后取出样品,将样品倒入离心管中,将离心管对称放入高速离心机中,离心时间15min,缓慢调节转速至3000r/min,离心完后取出离心管,管内沉积物为杂质,上清液为纳米流体,需要快速将所有离心管内的液体倒入烧杯中,得到ZnO纳米流体;
(2)制备石墨烯纳米流体:将1g石墨粉、5mL浓硫酸、1g重铬酸钾和1g五氧化二磷、加入1g十二烷基苯磺酸钠,放入干净的烧瓶中,磁力搅拌,放入油浴锅中80℃加热6h,反应结束后,加入200mL水稀释,静置24h;然后将粗产品过滤,用去离子水洗至中性,固体粗产品自然晾干;再将干燥好的粗产品放入烧杯中,加入50mL 0℃浓硫酸,边搅拌边加入高锰酸钾6g,控制温度5-20℃搅拌4h;再置于冰水浴中加入100mL水稀释,磁力搅拌2h;反应结束后,加入300mL水稀释,再加入过氧化氢溶液至不再产生气泡为止,且溶液全部变成亮黄色;离心,用去离子水洗至中性,得到石墨烯纳米流体;
(3)将以上两种混合液混合,倒入离心管中,置于高速离心机中离心,取上清液即得到金属氧化物/石墨烯复合流体。
以上金属氧化物/石墨烯复合流体,在30℃下与基液相比,导热系数提高2.3%;再将以上氧化石墨烯/金复合材料90、100、120、130℃下加热处理6h后沉降量为20-60%。
通过以上对比例1中,按照现有技术CN106735286B中的将石墨烯和金属纳米颗粒机械混合后,并且不使用任何表面活性剂或者溶剂,得到的氧化石墨烯/金复合材料在90-130℃下加热处理2h后均已全部沉降;对比例2中使用现有技术CN112908956A中的十二烷基苯磺酸钠将金属氧化物修饰后,然后与石墨烯纳米材料混合后所制得的金属氧化物/石墨烯复合流体在90-130℃下加热处理2-6h后,沉降量为20-60%,远远高于本申请的制备的石墨烯-金属复合纳米流体。
当然,上述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定对本发明的实施例范围。本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的均等变化与改进等,均应归属于本发明的专利涵盖范围内。
Claims (4)
1.一种石墨烯-金属复合纳米流体的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)合成m-s-m型双子表面活性剂,其中m和s分别表示疏水尾基中碳原子的个数和间隔基中碳原子的个数,m-s-m型双子表面活性剂的结构由两个疏水尾基、两个亲水头基、间隔基组成,两个疏水尾基和两个亲水头基通过间隔基连接;
所述的m-s-m型双子表面活性剂为季铵盐型双子表面活性剂或者磺酸盐型双子表面活性剂,其中m=10,12,14,16;s=2,3,4,6;
所述的季铵盐型双子表面活性剂是由脂肪烷基二甲基叔胺与二溴代烷烃制得的;磺酸盐型双子表面活性剂是由烷基伯胺、1,3-丙磺酸内酯与二溴代烷烃制得的;
所述的脂肪烷基二甲基叔胺为N-癸烷基-N,N-二甲基叔胺、N-十二烷基-N,N-二甲基叔胺、N-十四烷基-N,N-二甲基叔胺、N-十六烷基-N,N-二甲基叔胺中的一种;二溴代烷烃为1,2-二溴乙烷、1,3-二溴丙烷、1,4-二溴丁烷、1,6-二溴己烷中的一种;烷基伯胺为癸胺、十二胺、十四胺、十六胺中的一种;
(2)HUMMERS法制得氧化石墨烯;
(3)将氧化石墨烯在水或者水与乙二醇混合液中超声得到氧化石墨烯悬浮液,然后边超声边加入m-s-m型双子表面活性剂溶液,得到表面修饰的氧化石墨烯悬浮液,其中m-s-m型双子表面活性剂与氧化石墨烯的质量比为1:1~3:1;
(4)将m-s-m型双子表面活性剂溶液与金属前驱体溶液混合,得到混合液,其中m-s-m型双子表面活性剂与金属前驱体的质量比为1:1~3:1;
(5)将步骤(4)得到的混合液滴加至表面修饰的氧化石墨烯悬浮液中,50-80℃混合搅拌,加入还原剂,调节pH至9-10,恒温反应1.5-3h,得到石墨烯-金属复合纳米流体,其中还原剂为硼氢化钠或葡萄糖。
2.根据权利要求1所述的石墨烯-金属复合纳米流体的制备方法,其特征在于:氧化石墨烯与金属前驱体的质量比为1:3~2:1。
3.根据权利要求1所述的石墨烯-金属复合纳米流体的制备方法,其特征在于:还原剂与氧化石墨烯的质量比为2:1~10:1。
4.根据权利要求1所述的石墨烯-金属复合纳米流体的制备方法,其特征在于:金属前驱体为氯金酸、硝酸银、氯铂酸中的一种。
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