Thermal Conductivity and Dielectric Studies of Graphene Quantum Dots for Heat Transfer and Electrical Applications

Abstract

Синтез графенових квантових точок (GQDs) був встановлений двоетапним методом з графітового порошку за допомогою гідротермального реактора. У цьому дослідженні досліджується експериментальний аналіз теплопровідності нанофлюїдів GQD на водній основі як середовища теплопередачі нового покоління. Теплопровідність нанофлюїдів GQD на водній основі вимірювалася при різних температурах (20–80 °C) і для різних масових часток (0–0,053 мас.%). При низьких концентраціях теплопровідність нанофлюїду GQD/вода значно збільшується порівняно з чистою водою. Підвищення теплопровідності досягає 77,64% для нанофлюїду, що містить 0,053 мас.% графенових квантових точок при 80°C, а об’ємна теплоємність нанофлюїду зменшується зі збільшенням масової частки GQD і збільшується з температурою. Таким чином, теплопередача нанорідини на основі GQD показує кращу продуктивність, ніж базова рідина, і вплив масової частки у воді було виявлено при різних температурах. Крім того, також були вивчені діелектричні властивості синтезованих гранул GQD як функція частоти в діапазоні 0,01 – 105 Гц. Діелектрична проникність зменшується з частотою через обертання диполя та орієнтацію заряду, а електрична провідність зростає з частотою через високу провідність GQD.

The synthesis of graphene quantum dots (GQDs) has been established in a two-step method from graphite powder using a hydrothermal reactor. The present research explores experimental analysis of the thermal conductivity of water-based GQDs nanofluids as a new generation of heat transfer medium. The thermal conductivity of water-based GQDs nanofluids has been measured at different temperatures (20 – 80 °C) and for different mass fractions (0 – 0.053 wt%). At low concentrations, the thermal conductivity of GQD/water nanofluid increases significantly in comparison with pure water. Thermal conductivity enhancement reaches up to 77.64% for the nanofluid containing 0.053 wt% of graphene quantum dots at 80°C and the volumetric heat capacity of the nanofluid decreases with an increase in mass fraction of GQDs, and increases with temperature. Hence, heat transfer of nanofluid based on GQDs shows better performance than base fluid and the impact of mass fraction in the water has been found at different temperatures. Additionally, dielectric properties of synthesized GQDs pellets have also been studied as a function of frequency in the range of 0.01 – 105 Hz. Dielectric permittivity decreases with frequency due to dipole rotation and charge orientation, and electrical conductivity increases with frequency because of the highly conductive nature of GQDs.