纳米尖晶石LixMn2O4的制备与电化学性能表征

纳米尖晶石LixMn2O4的制备与电化学性能表征（共1篇）

1.纳米尖晶石LixMn2O4的制备与电化学性能表征 篇一

本研究选用自制碳包铜制备碳包铜-水纳米流体, 分别采用填加分散剂和纳米颗粒化学处理法制备水介质纳米悬浮液, 并比较两种分散方法所获得纳米流体的导热性能。结果表明, 采用化学处理法制备的碳包铜-水纳米悬浮液具有比添加分散剂制备的悬浮液更高的导热性能。研究结果为制备稳定水介质导热纳米悬浮液提供新的方法, 并对制备新型高导热纳米流体具有较强的指导意义。

1实验

1.1 原料与仪器

1.1.1 原料

碳包铜纳米粒子是采用氩电弧等离子体法制备, 其TEM观察结果见图1。

(a) TEM照片; (b) 高分辨照片 (a) TEM micrograph; (b) HRTEM micrograph

碳包铜纳米粒子为近似球状, 平均粒径约为30nm, 碳包层厚度约为5nm, 纳米碳包铜的XRD测试表明, 粒子内核为晶体结构为密排六方的铜晶体, 被类石墨结构的非晶碳层包裹, 粒子中没有发现铜的碳化物和氧化物, XRD衍射图如图2所示。

1.1.2 仪器

B5500S-DTH超声波清洗器, BT124S电子天平, ORION精密pH计, 英国Malvern公司zs Nano S型马尔文纳米粒度分析仪, Hotdisk 热物性分析测试仪。

1.2 实验过程

1.2.1 碳包铜的化学处理方法

先用双氧水按照1g碳包铜和40mL双氧水的比例, 超声波震荡1h, 离心分离后用去离子水把双氧水彻底洗掉, 再放入烘箱中110℃下干燥4h, 以彻底去掉水分。经过这样处理的碳包铜纳米粒子附着了大量的含氧功能团 (C—O—C) 和 (C=O) 和很多亲水键 (O—H) , 从而产生更大的静电斥力, 以利于得到稳定的碳包铜-水分散体系。

1.2.2 纳米流体的制备

采用两种方法制备0.1% (质量分数, 下同) 的碳包铜-水纳米流体, 一种方法是将经过化学处理过的碳包铜纳米粒子超声波震荡分散到水介质中, 通过调节pH值获得稳定的纳米悬浮液;另一种方法是碳包铜纳米粒子不经过化学处理, 通过添加一定量的分散剂, 超声震荡分散到水介质中, 通过调节分散剂的用量和pH值获得稳定的纳米悬浮液。

1.2.3 纳米流体分散性能的表征

采用纳米粒度分析仪测定悬浮液中碳包铜纳米粒子的水合粒径, 粒径越小表明其分散性能越好。实验同时测定纳米流体的Zeta电位, Zeta电位的绝对值越大, 越容易得到稳定的纳米悬浮液。

1.2.4 纳米流体导热性能的表征

采用Hotdisk 热物性分析测试仪对碳包铜-水纳米流体的导热系数进行测量, 将Hotdisk 探头浸没于纳米流体中, 取多次测量结果的平均值作为该点的测量值。每次测量时间间隔一般为15min, 其目的是为了使纳米流体中温度场均匀稳定分布。

2结果与讨论

2.1 化学处理对碳包铜红外光谱的影响

碳包铜经双氧水化学处理后, 测定其红外光谱, 如图3所示。可以看出, 化学处理后, 碳包铜外层的类石墨组织表面开始出现羧基和羟基基团, 1712cm-1和1583cm-1分别为C=O伸缩振动峰和COO—伸缩振动峰, 1220cm-1为—OH弯曲振动峰, 1173cm-1为C—O伸缩振动峰。

碳包铜外层非晶碳类石墨组织的六边形碳环上的大π键可以与—OH自由基相连, 形成 (—OH) 官能团。双氧水的氧化侵蚀作用使非晶碳产生表面缺陷, 这种缺陷往往以两个不饱和键的碳原子形式存在, 很容易与双氧水分解出的自由氧原子相结合形成羧基 (C=O) , 然后羧基继续与水中的H+, OH-以及自由氧等形成羟基和羧基。

2.2 不同制备方法分散性能比较

制备分散性能较高的纳米流体是获得高导热性能传热介质的前提, 而纳米流体不同于普通的固液相混合物, 须满足一系列特殊的要求, 比如均匀分散、完全或充分分散、稳定悬浮等。目前常用的分散方法是在介质中添加一定量的分散剂, 调节pH值, 通过超声震荡获得稳定性较好的纳米流体, 分散剂的主要作用是通过其在纳米颗粒表面的吸附、反应、包履或包膜来提高颗粒间静电作用能或更好地赋予空间位阻作用能, 使颗粒彼此散开并稳定悬浮。为比较化学处理法和添加分散剂法制备纳米流体的分散性能, 本实验用两种分法制备0.1%的碳包铜/水分散体系, 并比较在两种分散体系纳米水合粒径和Zeta电位随pH值的变化, 如图所示, 纳米水合粒径越小表明体系的分散性能越好。

可以看出, 在整个pH 值范围内, 碳包铜纳米颗粒的表面带正电荷, 当pH值较小时, 颗粒表面的zeta电位绝对值最小, 粒子之间的静电斥力不足以与粒子间的吸引力相抗衡, 粒子Brown运动使得粒子互相碰撞聚沉, 相应分散稳定性很差;随着pH值增加, 颗粒表面的zeta电位绝对值不断增大, 粒子之间形成的静电斥力, 较大的静电斥力可以阻止由于Brown运动产生的粒子之间相互吸引和碰撞, 使得纳米粒子相对独立, 粒子间的距离增加, 从而超过了粒子之间发生氢键作用的距离, 进一步减少了粒子互相聚集并沉降的机会, 纳米流体的分散稳定性得以改善;对于添加SDBS分散剂的分散体系, 在pH值为8.3左右时, 此时zeta 电位绝对值较高, 水合粒径为220nm。随着pH值的继续增大, 由于pH值调整剂 (NaOH) 浓度增大, 压缩双电层厚度, zeta电位绝对值有降低的趋势, 静电斥力减小导致分散性变差。对于化学处理法制备的分散体系, pH小于9.0时, zeta电位和纳米水合粒径都没有明显变化, 当pH值继续增大, zeta电位迅速增大, 表明在强碱性介质下, 碳包铜表面的羟基和羧基强化了颗粒间的静电斥力, 分散性能明显提高。当pH值大于11.5时, 同样由于钠离子对双电层的压缩作用, 使得静电斥力减小。比较两种分散方法可以看出, 采用化学处理方法, 而不添加任何分散剂, 同样可以得到较稳定的水介质分散体系。在本实验中, 碳包铜水合粒径可以达到210nm。

2.3不同分散方法对碳包铜纳米流体导热性能的影响

本实验采用化学处理法制备不同碳包铜纳米粒子添加量的水介质分散体系, 测定其导热系数, 并与采用SDBS为分散剂制备水介质分散体系导热性能进行比较, 实验结果如图5所示。

可以看出, 随着碳包铜纳米粒子添加量的增加, 体系的导热性能不断提高。当添加量大于0.5%时, 添加分散剂的水介质纳米流体导热系数增加开始变缓, 添加量大于1.3%时, 导热系数不再有明显的增加;对于化学处理法制备的碳包铜-水纳米流体, 随着纳米颗粒添加量的增加, 体系导热系数增加更为明显, 当添加量小于1.2%, 导热系数随纳米颗粒添加量几乎呈线性增长, 碳包铜添加量为2.0%时, 体系导热系数可提高约60%。

在体系中添加一定量的分散剂, 由于其吸附于碳包铜颗粒的表面, 增大了颗粒间的相对距离, 有效地阻碍了颗粒间的团聚和沉降, 使体系的分散性能和稳定性得到有效的提高。但同时这种包裹吸附行为大大束缚了碳包铜纳米颗粒的微尺度运动, 同时加入分散剂或表面活性剂会增加水基体的黏度, 抑制了纳米颗粒的布朗运动, 而布朗运动可大大提高纳米流体内部热量的传递效率[13,14]。同时分散剂的大分子与纳米颗粒之间以共价键结合, 降低了颗粒晶体的表面能, 同时增大了纳米颗粒与液体分子之间的距离, 减弱了范德华力对液体分子的吸附作用, 这样就抑制了周围液体分子的固体化倾向。而液体分子的固体化使界面的叠层分子比液体内部分子更有序, 这样纳米颗粒表面的液体分子处于一种介于液体与固体之间的物理状态, 其导热系数远大于液体介质本身[15]。同时分散剂SDBS自身不能自由运动, 因此不能有效传递能量, 其不能达到液体分子同样的传热效果, 反而成了液体分子热扩散运动的障碍, 其分子柔软的结构成为一个减震带, 使液体分子负载的能量不能有效及时地传到纳米颗粒上去。所以可以认为分散剂在增加纳米流体稳定性的同时对体系导热性能的提高并没有促进作用。

3结论

(1) 碳包铜经双氧水化学处理后, 其外层的类石墨组织表面开始出现羧基和羟基基团, 在水介质中, 强化了颗粒间的静电斥力, 分散性能与添加SDBS的水介质分散体系基本相当 (最佳分散条件下, 水合粒径均可达到210nm) 。

(2) 化学处理法制备的碳包铜-水纳米流体导热性能明显高于添加SDBS分散剂法制备的水介质纳米流体, 采用化学处理法, 碳包铜添加量为2.0%时, 体系导热系数可提高约60%。