CN104357025A - 一种离子液体纳米流体黑液及其制备方法与应用 - Google Patents

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方晓明
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites

Abstract

本发明属于太阳能热利用技术领域，公开了一种用于太阳能中高温热利用的离子液体纳米流体黑液及其制备方法与应用。所述离子液体纳米流体黑液由碳包裹金属纳米粒子与离子液体组成，所述碳包裹金属纳米粒子均匀分散在离子液体中；所述碳包裹金属纳米粒子为碳包裹钴或镍。其制备方法为：将碳包裹金属纳米粒子加入离子液体中，进行超声分散，形成均匀稳定的悬浮液，即为所述离子液体纳米流体黑液。本发明所述的碳包裹钴或镍的离子液体纳米流体黑液具有导热系数高、集热性能好、稳定性好等优点，并且碳包裹钴或镍添加量少、不添加表面活性剂，具有环境友好性，其制备工艺简单、成本低廉，可以用于200℃以上太阳能中高温热利用领域。

Description

一种离子液体纳米流体黑液及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于太阳能热利用技术领域，具体涉及一种离子液体纳米流体黑液及其制备方法与应用。
背景技术
太阳能的热利用作为太阳能资源开发利用的重要组成部分，已成为世界各国可能源持续发展战略的重要组成部分。它主要分为200℃以下的低温热利用和200℃以上的中、高温热利用。中高温太阳能热利用***主要包括集热、储热、换热、动力、发电等子***，其在海水淡化、建筑空调、干燥、热发电等领域具有广泛的应用前景，高性能集热介质与传热流体是太阳能中高温热利用的技术关键。
目前，集热介质与传热流体主要是采用导热油和熔融盐。导热油的缺点是存在高温不稳定性，易分解碳化且导热系数低；而熔融盐的凝固点较高，一般大于120℃，使用过程中易堵塞管道，需要额外增加一套加热保护***以实现启动与盐的化融过程，增加了***的复杂性与成本，并带来维护困难等缺陷。
离子液体是一类由特定的有机阳离子与无机或有机阴离子构成的在室温或近室温下呈现液态的熔盐体系。与上述传热流体相比，离子液体不仅具有熔点低、液程宽、几乎不挥发、热稳定性和化学稳定性好等优点，还具有结构可设计性，可以依据需要通过改变阴阳离子结构来调控性能。而且，由于离子液体具有密度高、热容及储能密度大等优点，是性能优良的传热流体，其最高使用温度可以达到300℃以上，特别是在太阳能中高温热利用领域具有广阔应用前景，但传统方法制备的基础离子液体的导热系数较低，传热系数小，光热转换性能差，限制了其进一步的应用。
通过将纳米级的金属粒子如金离子、氧化铜和氧化铝添加到离子液体中，构成的悬浮液纳米流体，其导热系数比基础离子液体流体有明显的提高。现有离子液体纳米流体中，一方面，需要添加表面活性剂来提高纳米粒子的分散性能，但表面活性剂不耐高温，易分解，另一方面，添加这些纳米粒子不能使离子液体呈现黑色，不利于太阳能的光热转换。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种离子液体纳米流体黑液；
本发明的另一目的在于提供上述离子液体纳米流体黑液的制备方法；
本发明的再一目的在于提供上述离子液体纳米流体黑液的应用。
本发明的目的具体通过下述技术方案实现：
一种离子液体纳米流体黑液，由碳包裹金属纳米粒子与离子液体组成，所述碳包裹金属纳米粒子均匀分散在离子液体中。
所述碳包裹金属纳米粒子为碳包裹金属构成的核-壳结构纳米粒子，外壳为碳材料，内核为金属材料，纳米粒子的粒径小于100nm.；
优选的，所述碳包裹金属纳米粒子为碳包裹钴纳米粒子或碳包裹镍纳米粒子；
优选的，所述离子液体的阳离子为咪唑类，具体为[BMIM]+、[CnMIM]+、[CnBIM]+或[CnHIM]，2≤n≤10；所述离子液体的阴离子为[BF4]-、[PF6]-、[NTf2]-或[CF3SO3]-；
优选的，所述碳包裹金属纳米粒子在离子液体纳米流体黑液中的质量分数为0.001～0.1％。
上述离子液体纳米流体黑液的制备方法，包括如下步骤：将碳包裹金属纳米粒子加入离子液体中，进行超声分散，形成均匀稳定的悬浮液，即为所述离子液体纳米流体黑液。
在上述离子液体纳米流体黑液的制备方法中：
优选的，所述碳包裹金属纳米粒子为碳包裹钴纳米粒子或碳包裹镍纳米粒子；
优选的，所述离子液体的阳离子为咪唑类，具体为[BMIM]+、[CnMIM]+、[CnBIM]+或[CnHIM]，2≤n≤10；所述离子液体的阴离子为[BF4]-、[PF6]-、[NTf2]-或[CF3SO3]-；
优选的，所述碳包裹金属纳米粒子在离子液体纳米流体黑液中的质量分数为0.001～0.1％；
优选的，所述超声分散的具体操作为：先用200～300W功率超声3～4h，再用20～40W功率超声2～4s，然后静置2～6min；
优选的，所述超声分散重复进行80～130次。
上述离子液体纳米流体黑液应用于太阳能中高温热利用技术领域；
离子液体纳米流体黑液在应用于太阳能中高温热利用技术领域时，使用温度可达200℃以上。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明制备的离子液体纳米流体黑液是直接将碳包裹钴纳米粒子或碳包裹镍纳米粒子与离子液体进行物理混合，没有化学反应，且碳包裹金属纳米粒子添加量少、导热系数高、集热性能好、稳定性好。
(2)本发明所述的离子液体纳米流体黑液中不添加表面活性剂，具有环境友好性。
(3)本发明所述制备方法工艺简单、成本低廉。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.001％将碳包裹钴纳米粒子加入离子液体[C2MIM]CF3SO3中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用200W功率超声分散3h，然后再用20W功率超声分散2s，静置2min，重复90次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹钴/[C2MIM]CF3SO3离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在一个月以上。200℃时，其导热系数比[C2MIM]CF3SO3离子液体的导热系数提高4.1％。
实施例2
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.001％将碳包裹钴纳米粒子加入离子液体[C4MIM]CF3SO3中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用200W功率超声分散3h，然后再用20W功率超声分散2s，静置3min，重复100次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹钴/[C4MIM]CF3SO3离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在一个月以上。220℃时，其导热系数比[C4MIM]CF3SO3离子液体的导热系数提高4.6％。
实施例3
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.004％将碳包裹钴纳米粒子加入离子液体[C8MIM]CF3SO3中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用300W功率超声分散4h，然后再用40W功率超声分散4s，静置4min，重复110次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹钴/[C8MIM]CF3SO3离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在一个月以上。240℃时，其导热系数比[C8MIM]CF3SO3离子液体的导热系数提高6.3％。
实施例4
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.004％将碳包裹镍纳米粒子加入离子液体[C3BIM]NTf2中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用200W功率超声分散4h，然后再用30W功率超声分散2s，静置2min，重复90次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹镍/[C3BIM]NTf2离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在一个月以上。260℃时，其导热系数比[C3BIM]NTf2离子液体的导热系数提高7.1％。
实施例5
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.007％将碳包裹镍纳米粒子加入离子液体[C3HIM]NTf2中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用300W功率超声分散3h，然后再用40W功率超声分散2s，静置3min，重复100次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹镍/[C3HIM]NTf2离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在20天以上。270℃时，其导热系数比[C3HIM]NTf2离子液体的导热系数提高8.2％。
实施例6
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.007％将碳包裹钴纳米粒子加入离子液体[C3MIM]NTf2中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用200W功率超声分散4h，然后再用30W功率超声分散3s，静置4min，重复110次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹钴/[C3MIM]NTf2离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在20天以上。280℃时，其导热系数比[C3MIM]NTf2离子液体的导热系数提高8.9％。
实施例7
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.01％将碳包裹镍纳米粒子加入离子液体[C4MIM]PF6中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用200W功率超声分散4h，然后再用20W功率超声分散4s，静置3min，重复90次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹镍/[C4MIM]PF6离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在20天以上。300℃时，其导热系数比[C4MIM]PF6离子液体的导热系数提高10.8％。
实施例8
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.01％将碳包裹钴纳米粒子加入离子液体[C6MIM]PF6中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用300W功率超声分散4h，然后再用40W功率超声分散2s，静置3min，重复90次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹钴/[C6MIM]PF6离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在1个月以上。310℃时，其导热系数比[C6MIM]PF6离子液体的导热系数提高10.4％。
实施例9
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.04％将碳包裹镍纳米粒子加入离子液体[C8MIM]PF6中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用300W功率超声分散3h，然后再用20W功率超声分散3s，静置4min，重复120次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹镍/[C8MIM]PF6离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在1个月以上。320℃时，其导热系数比[C8MIM]PF6离子液体的导热系数提高13.3％。
实施例10
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.04％将碳包裹镍纳米粒子加入离子液体[C10MIM]PF6中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用200W功率超声分散3.5h，然后再用20W功率超声分散2s，静置5min，重复100次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹镍/[C10MIM]PF6离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在1个月以上。330℃时，其导热系数比[C10MIM]PF6离子液体的导热系数提高14.8％。
实施例11
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.07％将碳包裹钴纳米粒子加入离子液体[C4MIM]BF4中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用300W功率超声分散3h，然后再用20W功率超声分散3s，静置4min，重复130次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹钴/[C4MIM]BF4离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在20天以上。340℃时，其导热系数比[C4MIM]BF4离子液体的导热系数提高16.8％。
实施例12
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.07％将碳包裹镍纳米粒子加入离子液体[C6MIM]BF4中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用200W功率超声分散4h，然后再用30W功率超声分散2s，静置6min，重复120次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹镍/[C6MIM]BF4离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在20天以上。350℃时，其导热系数比[C6MIM]BF4离子液体的导热系数提高17.9％。
实施例13
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.1％将碳包裹钴纳米粒子加入离子液体[C8MIM]BF4中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用250W功率超声分散3h，然后再用20W功率超声分散2s，静置2min，重复110次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹钴/[C8MIM]BF4离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在20天以上。360℃时，其导热系数比[C8MIM]BF4离子液体的导热系数提高22.3％。
实施例14
一种离子液体纳米流体黑液，其制备步骤为：按质量分数为0.1％将碳包裹镍纳米粒子加入离子液体[C10MIM]BF4中，进行超声分散，超声分散的过程为：先用250W功率超声分散4h，然后再用25W功率超声分散2s，静置2min，重复120次，形成均匀稳定的悬浮液即为碳包裹镍/[C10MIM]BF4离子液体纳米流体黑液。
经过测定，该离子液体纳米流体黑液在室温下可以稳定存在20天以上。370℃时，其导热系数比[C10MIM]BF4离子液体的导热系数提高23.1％。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种离子液体纳米流体黑液，其特征在于：所述离子液体纳米流体黑液由碳包裹金属纳米粒子与离子液体组成，所述碳包裹金属纳米粒子均匀分散在离子液体中。
2.根据权利要求1所述的离子液体纳米流体黑液，其特征在于：所述碳包裹金属纳米粒子为碳包裹钴纳米粒子或碳包裹镍纳米粒子。
3.根据权利要求1所述的离子液体纳米流体黑液，其特征在于：所述离子液体的阳离子为[BMIM]+、[CnMIM]+、[CnBIM]+或[CnHIM]，2≤n≤10；阴离子为[BF4]-、[PF6]-、[NTf2]-或[CF3SO3]-。
4.根据权利要求1所述的离子液体纳米流体黑液，其特征在于：所述碳包裹金属纳米粒子在离子液体纳米流体黑液中的质量分数为0.001～0.1％。
5.根据权利要求1～4任一项所述的离子液体纳米流体黑液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：将碳包裹金属纳米粒子加入离子液体中，进行超声分散，形成均匀稳定的悬浮液，即为所述离子液体纳米流体黑液。
6.根据权利要求5所述的离子液体纳米流体黑液的制备方法，其特征在于：所述碳包裹金属纳米粒子为碳包裹钴纳米粒子或碳包裹镍纳米粒子；所述离子液体的阳离子为[BMIM]+、[CnMIM]+、[CnBIM]+或[CnHIM]，2≤n≤10；阴离子为[BF4]-、[PF6]-、[NTf2]-或[CF3SO3]-；所述碳包裹金属纳米粒子在离子液体纳米流体黑液中的质量分数为0.001～0.1％。
7.根据权利要求5所述的离子液体纳米流体黑液的制备方法，其特征在于：所述超声分散的具体操作为：先用200～300W功率超声3～4h，再用20～40W功率超声2～4s，然后静置2～6min。
8.根据权利要求5所述的离子液体纳米流体黑液的制备方法，其特征在于：所述超声分散重复进行80～130次。
9.根据权利要求1～4任一项所述的离子液体纳米流体黑液在太阳能中高温热利用技术领域中的应用。
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