超临界二氧化碳石墨烯纳米流体及其制备方法和应用与流程

本发明涉及超临界流体，特别是涉及一种超临界二氧化碳石墨烯纳米流体及其制备方法和应用。

背景技术：

美国Argonne国家实验室的Choi等人曾于1995年提出纳米流体的概念，即把纳米粉末分散到导电系数低的分散介质(如水、醇或油)中形成悬浮液，从而提高分散介质的导热性能。纳米流体作为一种新型传热工质可广泛应用于车辆、航空航天、电子等领域的导热及冷却要求。

石墨烯是碳原子以sp2杂化体系紧密堆积而成的蜂窝状二维晶格结构碳纳米材料。利用石墨烯在活性炭颗粒之间构建三维网状结构，不仅能提高活性炭的比表面积，还有利于降低离子在孔隙中的迁移阻力，提高导热性能。由于石墨烯具有独特的二维结构、优异的导电性、出色的力学和热学性能、超大的比表面积以及开放的表面，使得石墨烯基材料在散热领域中的应用具有极大的潜力。

虽然石墨烯具有优异的性能，但在使用方面仍存在瓶颈，石墨烯纳米流体的二次分散是制约石墨烯导热性能的最主要的限制因素。目前市场上已有的石墨烯粉末在使用过程中均难以重新分散，导致导热性能提升不明显。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决石墨烯粉末在使用过程中难以重新分散，导致导热性能提升不明显的问题，提供一种导热性能较佳的超临界二氧化碳石墨烯纳米流体及其制备方法和应用。

一种超临界二氧化碳石墨烯纳米流体由超临界二氧化碳和均匀分散于二氧化碳中的纳米石墨烯组成，石墨烯的浓度为0.1wt％～2wt％，石墨烯颗粒的平均粒径为1～10nm。

为了简化起见，本说明书中将“％(重量百分百)”简写为“wt％”。上述浓度及平均粒径的石墨烯分散在超临界二氧化碳中具有较佳的导热性能，能够极大地改进超临界二氧化碳的性能，加强二氧化碳的对流换热能力。

进一步地，所述纳米流体的压强为8～22MPa，所述纳米流体的温度为：40～800℃。在该温度和压强下二氧化碳处于超临界状态，并形成均匀的纳米流体，可以作为超临界二氧化碳布雷顿循环系统的工质。

本发明还提供一种制备上述超临界二氧化碳石墨烯纳米流体的方法，包括如下步骤：

1)先将装有纳米石墨烯的混合器抽真空；

2)再将高压二氧化碳通入混合器中与纳米石墨烯充分混合形成混合气；

3)压缩混合气至超临界状态形成纳米流体。

将装有纳米石墨烯的混合器抽真空可以进一步脱除混合器内、以及吸附在纳米石墨烯表面的气体杂质。混合器的真空度为0.01～0.1MPa，高压二氧化碳的压力为5～10MPa，将高压二氧化碳通入混合器中，与真空状态的混合器形成较高的瞬间压力差。这种瞬间压力差在混合器内形成“气爆”，可以将部分团聚的纳米石墨烯转变为细小的颗粒，甚至剥离成为单层石墨烯，从而大大提高了纳米石墨烯的分散度，增强了导热性能。

可以将混合气导入增压泵中，压缩混合气至超临界状态形成纳米流体。

在制备超临界二氧化碳石墨烯纳米流体前，可以使用真空泵先将制备系统抽真空，再将二氧化碳冲洗整个制备系统，以消除制备系统中残留的其他杂质。

可以将制备的超临界二氧化碳石墨烯纳米流体储存在高压缸中备用。

进一步地，该制备超临界二氧化碳石墨烯纳米流体的方法还包括如下步骤，在将二氧化碳通入混合器之前，将石墨烯进行预热，预热温度为40℃～300℃。预热可以进一步提升石墨烯的分散性能。

进一步地，可以采用增压泵压缩混合气至超临界状态形成纳米流体，所述增压泵可以为柱塞泵或离心泵。

进一步地，本发明还提供上述的超临界二氧化碳石墨烯纳米流体作为超临界二氧化碳布雷顿循环工作介质的用途。

超临界二氧化碳布雷顿循环仅需外界提供200～800摄氏度的温度，应用现有技术即可很容易达到的的温度。超临界二氧化碳石墨烯纳米流体工质是气态和液态并存的流体，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍以上，相比超临界二氧化碳工质具有更佳的导热效率和更低的能耗损失，能够极大地改进超临界二氧化碳的性能，加强二氧化碳的对流换热能力，从而使得超临界二氧化碳布雷顿循环的效率得到更大的提高。超临界二氧化碳石墨烯纳米流体工质的特点是临界条件更容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全。

进一步地，本发明还提供一种布雷顿循环系统，包括：等熵压缩子系统、等压加热子系统、等熵膨胀子系统和等压放热子系统，还包括工作介质，所述工作介质为压强8～22MPa、温度40～800℃的超临界二氧化碳石墨烯纳米流体。在该纳米流体中，石墨烯均匀分散于二氧化碳介质中，浓度为0.1wt％～2wt％，石墨烯颗粒的平均粒径为1～10nm。

进一步地，本发明还提供一种上述布雷顿循环系统在核反应堆发电系统中的应用。超临界二氧化碳布雷顿循环作为核电反应堆的新型能量转换系统，具有能量转换效率高、安全性好、系统紧凑等特点，应用前景十分广泛。

进一步地，本发明还提供一种上述布雷顿循环系统在分布式发电系统中的应用。该分布式发电系统包括太阳能、生物质能、以及余热利用。该分布式发电系统中的关键及核心发电装置是布雷顿循环系统。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明利用超临界二氧化碳流体的低粘度、高扩散性以及高溶解能力的特殊性质，将二氧化碳流体注入到石墨烯层隙之间，形成二氧化碳流体-石墨烯的插层结构，进一步降低石墨层间的作用力，从而获得高分散度的石墨烯，从而达到较高导热性能的效果。纳米石墨烯的比表面积较高，表面吸附的超临界二氧化碳流体可以防止石墨烯的聚集。

本发明操作简单，不会破坏石墨烯的结构和性质，可制得高质量的超临界二氧化碳石墨烯纳米流体。并且，制备过程无毒无害，操作安全，工艺过程简单，安全环保。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明；但本发明的一种超临界二氧化碳石墨烯纳米流体及其制备方法和应用不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明制备系统的结构示意图。

具体实施方式

参考图1，本发明用于制备超临界二氧化碳石墨烯纳米流体的系统包括二氧化碳气瓶1、混合器2、真空泵3、增压泵4以及高压缸5。二氧化碳气瓶1、混合器2、增压泵4以及高压缸5依次连接，真空泵3连接混合器2以用于对混合器2抽真空。系统的连接管路之间还设置有阀门以用于控制通断，二氧化碳气瓶1和混合器2之间设有第一阀门6，混合器2和真空泵3之间设置有第二阀门7，增压泵4和高压缸5之间设置有第三阀门8。第三阀门8是三向阀，可以控制连接管路的通断，又可以用于排出清洗设备的尾气。具体的，二氧化碳气瓶1可以是例如二氧化碳气瓶。增压泵4可以是柱塞泵或离心泵。

实施例1

本实施例提供一种制备超临界二氧化碳石墨烯纳米流体的方法，步骤如下：

使用真空泵3先将制备系统抽真空，开启二氧化碳气瓶1以使用二氧化碳冲洗整个制备系统，消除制备系统中残留的其他杂质。

将平均粒径为10nm的纳米石墨烯装入混合器2，通过真空泵3将混合器2抽真空至0.01MPa。将石墨烯进行预热至40℃，以活化石墨烯分子，提升分散度。二氧化碳气瓶1将压强为5MPa的高压二氧化碳通入混合器2中与纳米石墨烯充分混合形成混合气。控制混合气中石墨烯的浓度为2wt％。高压二氧化碳通入混合器2中，与真空状态的混合器2形成较高的瞬间压力差。这种瞬间压力差在混合器内形成“气爆”，将部分团聚的纳米石墨烯转变为细小的颗粒，甚至剥离成为单层石墨烯，从而大大提高了纳米石墨烯的分散度，增强了导热性能。

用增压泵4压缩混合气至超临界状态形成纳米流体。控制纳米流体的压强为8MPa，温度为：500℃，形成均匀的纳米流体。将制备的超临界二氧化碳石墨烯纳米流体储存在高压缸5中备用。此石墨烯纳米流体稳定存在6个月以上，并且其导热系数比超临界二氧化碳的导热系数提高21％。

将该石墨烯纳米流体作为超临界二氧化碳布雷顿循环工作介质，进一步将石墨烯纳米流体温度升高至800℃，用于核反应堆发电系统的能量循环中。

实施例2

本实施例提供一种制备超临界二氧化碳石墨烯纳米流体的方法，步骤如下：

打开系统中所有连接阀门6、7、8使系统内部畅通。使用真空泵3对系统抽真空。随后关闭第二阀门7，使用高纯度CO₂气体冲洗整个系统，以消除制备系统中残留的其他杂质，尾气通过第三阀门8排到系统外部。

先用真空泵3将装有纳米石墨烯的混合器2抽真空至0.01MPa，纳米石墨烯的平均粒径为1nm。将石墨烯进行预热至300℃，以活化石墨烯分子，提升分散度。再将二氧化碳气瓶1中压力为10MPa的高压二氧化碳通入混合器2中与纳米石墨烯充分混合形成混合气。控制混合气中石墨烯的浓度为1wt％。高压二氧化碳通入混合器中，与真空状态的混合器形成较高的瞬间压力差。这种瞬间压力差在混合器内形成“气爆”，将部分团聚的纳米石墨烯转变为细小的颗粒，甚至剥离成为单层石墨烯。

用增压泵4压缩混合气至超临界状态形成纳米流体。控制纳米流体的压强为22MPa，温度为：300℃，形成均匀的纳米流体。将制备的超临界二氧化碳石墨烯纳米流体储存在高压缸5中备用。该石墨烯纳米流体作为超临界二氧化碳布雷顿循环工作介质，用于核反应堆(小型模块反应堆)发电系统的能量循环中。此石墨烯纳米流体稳定存在12个月以上，并且其导热系数比超临界二氧化碳的导热系数提高12％。

实施例3

本实施例提供一种制备超临界二氧化碳石墨烯纳米流体的方法，步骤如下：

打开系统中所有连接阀门6、7、8使系统内部畅通。使用真空泵3对系统抽真空。随后关闭第二阀门7，使用高纯度CO₂气体冲洗整个系统，以消除制备系统中残留的其他杂质，尾气通过第三阀门8排到系统外部。

先将装有纳米石墨烯的混合器2抽真空至0.1MPa，纳米石墨烯的平均粒径为5nm。再将压力为15MPa的高压二氧化碳通入混合器2中与纳米石墨烯充分混合形成混合气。控制混合气中石墨烯的浓度为0.1wt％。高压二氧化碳通入混合器2中，与真空状态的混合器形成较高的瞬间压力差。

用增压泵4压缩混合气至超临界状态形成纳米流体。控制纳米流体的压强为15MPa，温度为：40℃，形成均匀的纳米流体。将制备的超临界二氧化碳石墨烯纳米流体储存在高压缸5中备用。该石墨烯纳米流体作为超临界二氧化碳布雷顿循环工作介质，用于工业废热的余热回收发电系统的能量循环中。此石墨烯纳米流体稳定存在8个月以上，并且其导热系数比超临界二氧化碳的导热系数提高19％。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。