Synthesis and Characterization of CuCo₂O₄ Nanostructures-Based Hybrid Nanofluids for Enhanced Heat Transfer Applications

Abstract

Det presserende behov for effektiv termisk styring i miniaturiserede og højtydende enheder har fremskyndet udviklingen af nanovæsker med forbedret termisk ledningsevne. Nanomateriale-baserede væsker kan tilbyde bedre varmeafledning end konventionelle kølemidler, men deres ydeevne afhænger i høj grad af nanopartiklernes struktur og suspensionens stabilitet. Spinel-struktureret CuCo₂O₄ tilbyder både termiske og strukturelle fordele, men dets potentiale, især i en kulstofmodificeret porøs form, er stadig stort set uudforsket. Denne afhandling undersøger kulstofmodificerede CuCo₂O₄-nanostrukturer somen ny klasse af hybride nanovæske-additiver med fokus på, hvordan kulstofindholdet påvirker deres mikrostruktur, overfladeegenskaber og termiske ydeevne. En rækkeCuCo₂O₄-nanostrukturer integreret med tilpassede kulstofkoncentrationer blev syntetiseret ved hjælp af hydrotermal metode og karakteriseret i detaljer ved hjælp af et omfattende sæt af strukturelle, kemiske og termiske analyseteknikker. Disse omfattede røntgendiffraktion, Raman-spektroskopi, røntgenspektroskopi, scanning- og transmissionselektronmikroskopi, Brunauer-Emmett-Teller-overfladearealanalyse, dynamisk lys-spredning, zeta-potentiale, termogravimetrisk analyse, differentiel scanning kalorimetri og operando synkrotron røntgenafbildning. Disse teknikker blev anvendt på en komplementær og sammenlignende måde. Strukturanalyse viste, at kulstof ikke indbygges i spinel-gitteret, menakkumuleres på overfladen samt ved korngrænsen i form af u ordnede kulstofrige domæner. Moderat tilsætning af kulstof, 5 mg og 10 mg (1-4 vægtprocent af den anvendte prækursor), forbedrede krystalliniteten, reducerede gitterspændingen og introducerede polære overfladegrupper såsom hydroxyl- og karbonatgrupper. Disse ændringer øgede det specifikke overfladeareal (op til 31,91 m²/g) og mesoporøsiteten, hvilket muliggjorde forbedret dispersionsstabilitet. Data fra dynamisk lys-spredning og zeta-potentiale bekræftede den kolloidale stabilitet, hvor prøven med 10 mg kulstof udviste et zeta-potentiale på +34,7 mV og en ensartet dispersion i vand. Test af termisk ledningsevne vistemarkante forbedringer ved ultralave nanopartikelkoncentrationer (0,05 vægtprocent). Nanovæsker baseret på 5 mg og 10 mg kulstofmodificeret CuCo₂O₄ opnåede termiske ledningsevner på henholdsvis 0,77 og 0,74 W/m·K, hvilket viste op til 20 % forbedring i forhold til den rene basisvæske. Denne forbedring tilskrives øget interfacialt overfladeareal, forbedret poretilgængelighed og mere effektiv phonontransport. Overdreven tilsætning af kulstof, 20 mg og 30 mg (4-10 vægtprocent), medførte poreblokering og partikelaggregering, hvilket resulterede i nedsat ydeevne. Operando synkrotron røntgenafbildning blev anvendt som proof of concept til at visualisere nanostrukturernes dispersion under flow. Afslutningsvis udviser de kulstofmodificerede CuCo₂O₄-nanostrukturer stabil dispersion og forbedret termisk ledningsevne ved minimale tilsætninger, hvilket gør dem til lovende additiver til avancerede nanovæsker. Dette arbejde etablerer en klar struktur–funktions-sammenhæng og giver en rationel designstrategi for høj-effektive kølesystemer til elektronik, mikrofluidik og vedvarende energiteknologier.The urgent demand for efficient thermal management in miniaturized and high-powerdevices has accelerated the development of nanofluids with enhanced thermal conductivity. Nanomaterials-engineered fluids can offer better heat dissipation than conventional coolants, but their performance depends heavily on nanoparticle structure and the stability of the suspension. Spinel-structured CuCo₂O₄ offers both thermal and structural advantages, yet its potential, particularly in carbon-modified porous form, remains largely unexplored. This thesis investigates carbon-modified CuCo₂O₄ nanostructures as a new class of hybrid nanofluid additives, focusing on how carbon content influences their microstructure, surface properties, and thermal performance. A series of CuCo₂O₄ nanostructures integrated with tailored carbon concentrations were synthesized via hydrothermal method and characterized in detail using a comprehensive set of structural, chemical, and thermal analysis techniques. This included X-ray diffraction, Raman spectroscopy, X-ray spectroscopy, scanning and transmission electron microscopy, BrunauerEmmett-Teller surface area analysis, dynamic light scattering, zeta potential, thermogravimetric analysis, differential scanning calorimetry, and operando synchrotron X-ray imaging. These techniques were applied in a complementary and comparative manner. Structural analysis showed that carbon does not incorporate into the spinel lattice but accumulates at the surface as well as at the grain boundaries in the form of disordered carbon-rich domains. Moderate carbon addition 5 mg and 10 mg (1-4 weight % of involved precursor) enhanced crystallinity, reduced lattice strain, and introduced polar surface groups such as hydroxyl and carbonate. These changes increased the specific surface area (up to 31.91 m²/g) and mesoporosity, enabling the improved dispersion stability. Dynamic light scattering and zeta potential data confirmed the colloidal stability, with the10 mg carbon sample exhibiting a zeta potential of +34.7 mV and uniform dispersion in water. Thermal conductivity tests revealed significant improvements at ultralow nanoparticle concentrations (0.05 wt%). Nanofluids based on 5 mg and 10 mg carbon-modified CuCo₂O₄ reached thermal conductivities of 0.77 and 0.74 W/m·K, respectively, showing up to 20% enhancement over the pure baseline. This improvement is attributed to increased interfacial surface area, enhanced pore accessibility, and more efficient phonon transport. Excessive carbon loading 20 mg and 30 mg (4-10 weight %) caused pore blockage and particle aggregation, resulting in diminished performance. Operando synchrotron X-ray imaging was used as a proof of concept to visualize nanostructure dispersion under flow. In conclusion, the carbon-modified CuCo₂O₄ nanostructures exhibit stable dispersion and enhanced thermal conductivity at minimal loadings, making them promising additives for advanced nanofluids. This work establishes a clear structure–function relationship and provides a rational design strategy for high-efficiency cooling systems for electronics, microfluidics, and renewable energy technologies.