تقشير بالموجات فوق الصوتية للجرافين القابل للتشتت بالماء
- يمكن إنتاج صفائح الجرافين النانوية أحادية وثنائية الطبقة بسرعة عن طريق التقشير بالموجات فوق الصوتية مع إنتاجية عالية وبتكلفة منخفضة.
- يمكن تشغيل الجرافين المقشر بالموجات فوق الصوتية باستخدام البوليمرات الحيوية من أجل الحصول على الجرافين القابل للتشتت بالماء.
- عن طريق التجويف بالموجات فوق الصوتية ، يمكن معالجة الجرافين المركب بشكل أكبر إلى تشتت مستقر قائم على الماء.
تقشير بالموجات فوق الصوتية من الجرافين عالي الجودة
Ultrasonication هي طريقة موثوقة لإنتاج طبقات الجرافين (الجرافين أحادي ، ثنائي وقليل الطبقة) من رقائق الجرافيت أو الجزيئات. في حين أن تقنيات التقشير الشائعة الأخرى مثل مطاحن الكرات واللفائف أو الخلاطات عالية القص مرتبطة بالجودة المنخفضة واستخدام الكواشف والمذيبات العدوانية ، فإن طريقة التقشير بالموجات فوق الصوتية تقنع بإنتاجها عالي الجودة وقدرة المعالجة العالية وظروف المعالجة المعتدلة.
يخلق التجويف بالموجات فوق الصوتية قوى قص مكثفة ، والتي تفصل طبقات الجرافيت المكدسة إلى طبقات أحادية وثنائية وقليلة من الجرافين الخالي من العيوب.
صفائح الجرافين القابلة للتشتت بالماء عن طريق الصوتنة
Ultrasonication هو إجراء فعال مع نتائج قابلة للتكرار لفك الأنابيب النانوية الكربونية في الماء أو المذيبات العضوية. [/caption] في ظل الظروف العادية ، بالكاد يكون الجرافين قابلا للتشتت في الماء ويشكل مجاميع وتكتلات عند تشتيته في وسط مائي. نظرا لأن الأنظمة المائية لها مزايا كبيرة تتمثل في كونها غير مكلفة وغير سامة وصديقة للبيئة وأنظمة الجرافين القائمة على الماء جذابة للغاية لمصنعي الجرافين وصناعة المصب.
من أجل الحصول على صفائح نانوية من الجرافين قابلة للتشتت بالماء ، يتم تعديل الجرافين المقشر بالموجات فوق الصوتية باستخدام السكريات / البوليمرات الحيوية مثل بولولان أو الشيتوزان أو الجينات أو الجيلاتين أو الصمغ العربي.
- جرافين عالي الجودة
- غلة عالية
- التشتت القائم على الماء
- تركيز عال
- كفاءة عالية
- عملية سريعة
- تكلفة منخفضة
- إنتاجية عالية
- صديقة للبيئة
مفاعل بالموجات فوق الصوتية مع الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لتقشير الجرافين على نطاق صناعي
بروتوكول التقشير المباشر للجرافيت باستخدام الموجات فوق الصوتية
تم إذابة البولولان غير الأيوني والجينات الأنيونية (1.0 جم) بشكل منفصل في 20 مل من الماء المقطر ، بينما تم إذابة الشيتوزان الموجبة (0.4 جم) في 20 مل من الماء المقطر مع 1٪ من حمض الأسيتيك. تم تشتيت مسحوق الجرافيت في محاليل البوليمر الحيوي المائي ومعالجته باستخدام جهاز الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP200S (الطاقة القصوى 200 واط ، التردد 24 كيلو هرتز ، Hielscher Ultrasonics ، ألمانيا) مجهزة بسونوترود من التيتانيوم (طرف صغير S3 ، قطر الطرف 3 مم ، السعة القصوى 210 ميكرومتر ، كثافة الطاقة الصوتية أو كثافة السطح 460 واط سم -2) في ظل الظروف التالية: 0.5 دورة وسعة 50 ٪ ، لمدة 10 و 20 و 30 و 60 دقيقة على التوالي. تم الحصول على أفضل النتائج في صوتنة 30min. تم تطبيق Sonication بقوة 16.25 واط لمدة 30 دقيقة ، مع استهلاك الطاقة (خرج الطاقة لكل وحدة حجم) من 731 واط مل -1.
بعد ذلك ، تم طرد المخاليط بالطرد المركزي عند 1500 دورة في الدقيقة لمدة 60 دقيقة لإزالة جزيئات الجرافيت غير المقشرة ثم غسلها 5 مرات ثم طردها مرة أخرى عند 5000 دورة في الدقيقة لمدة 20 دقيقة لإزالة البوليمرات الحيوية الزائدة. تم تجفيف المحاليل الرمادية الداكنة الناتجة بالتفريغ عند 40 درجة مئوية حتى لا تفقد الكتلة. تم إعادة توزيع مساحيق البوليمر والجرافين الناتجة في الماء (1 مجم مل-1 للبولولان والشيتوزان ؛ 0.18 مجم مل -1 للجينات) للتوصيف. تمت الإشارة إلى صفائح الجرافين التي تم الحصول عليها بواسطة الموجات فوق الصوتية بمساعدة بولولان والجينات والشيتوزان على أنها سحب-G و alg-G و chit-G على التوالي.
من بين الأنظمة الثلاثة ، كان بولولان والشيتوزان أكثر فعالية في تقشير الجرافيت من الجينات. أسفرت هذه الطريقة عن صفائح جرافين أحادية وثنائية وقليلة الطبقات مقشرة مع عيوب جانبية منخفضة (حواف) فقط. يوفر امتزاز البوليمرات الحيوية على سطح الجرافين ثباتا طويل الأمد (أكثر من 6 أشهر) للتشتت المائي.
(راجع Unalan et al. 2015)
تسلسل عالي السرعة (من a إلى f) من الإطارات يوضح التقشير الميكانيكي لرقائق الجرافيت في الماء باستخدام UP200S ، الموجات فوق الصوتية 200W مع سونوترودي 3 ملم. تظهر الأسهم مكان الانقسام (التقشير) مع فقاعات التجويف التي تخترق الانقسام.
(دراسة وصور: © Tyurnina et al. 2020
صور TEM للسحب G لمدة : (أ) 10 دقائق ؛ (ب) 20 دقيقة؛ (ج) 30 دقيقة؛ (د) 60 دقيقة؛ (ه) شيت - جي لمدة 30 دقيقة؛ (و) alg-G لمدة 30 دقيقة (Unalan et al. 2015)
الموجات فوق الصوتية لتقشير الجرافين
وتستخدم Hielscher عالية الطاقة المعالجات بالموجات فوق الصوتية في جميع أنحاء العالم لتقشير ناجحة وتشتت الجرافيت والجرافين. تتوفر مشتتاتنا بالموجات فوق الصوتية من المختبر ومقاعد البدلاء إلى وحدات الإنتاج الصناعي الكاملة. إلى جانب المتانة، 24/7 عملية وصيانة منخفضة، Hielscher الموجات فوق الصوتية إقناع من قبل سهولة عالية من المعالجة وقابلية التوسع الخطية.
يمكن اختبار العمليات وتحسينها بسهولة في المختبر. بعد ذلك ، يمكن تحجيم جميع نتائج العملية بشكل خطي تماما إلى مستوى الإنتاج التجاري. هذا يجعل صوتنة وسيلة إنتاج فعالة وفعالة لحجم كبير من صفائح الجرافين عالية الجودة.
Hielscher الفوق صوتيات المعالجات بالموجات فوق الصوتية الصناعية يمكن أن تقدم السعات عالية جدا. يمكن تشغيل السعات التي تصل إلى 200 ميكرومتر بسهولة بشكل مستمر في عملية 24/7. للحصول على سعات أعلى ، تتوفر سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية المخصصة. تضمن مفاعلات الموجات فوق الصوتية المطابقة القدرة على الإنتاج الضخم الموثوق والآمن لصفائح الجرافين النانوية عالية الجودة بالإضافة إلى تشتت الألواح النانوية المستقرة.
متانة معدات الموجات فوق الصوتية Hielscher يسمح لعملية 24/7 في الخدمة الشاقة وفي البيئات الصعبة.
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000 |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
آلية التقشير بالموجات فوق الصوتية للصفائح النانوية 2D.
(دراسة ورسم: Tyurnina et al. ، 2020)
حقائق تستحق المعرفة
الجرافين
الجرافين هو طبقة أحادية من sp2- ذرات الكربون المرتبطة. يوفر الجرافين خصائص مادية فريدة مثل مساحة سطح محددة كبيرة غير عادية (2620 م2g-1) ، خواص ميكانيكية فائقة مع معامل يونغ 1 TPa وقوة جوهرية تبلغ 130 جيجا باسكال ، وموصلية إلكترونية عالية للغاية (حركة إلكترونية في درجة حرارة الغرفة تبلغ 2.5 × 105 سم2 V-1s-1) ، موصلية حرارية عالية جدا (أعلى من 3000 واط م كلفن-1)، على سبيل المثال لا الحصر. نظرا لخصائص المواد الفائقة ، يستخدم الجرافين بكثافة في تطوير وإنتاج البطاريات عالية الأداء وخلايا الوقود والخلايا الشمسية والمكثفات الفائقة ومخازن الهيدروجين والدروع الكهرومغناطيسية والأجهزة الإلكترونية. علاوة على ذلك ، يتم دمج الجرافين في العديد من المركبات النانوية والمواد المركبة كمادة مضافة معززة ، على سبيل المثال في البوليمرات والسيراميك والمصفوفات المعدنية. نظرا للتوصيل العالي ، يعد الجرافين مكونا مهما للدهانات والأحبار الموصلة.
السرعة والأمان إعداد بالموجات فوق الصوتية من الجرافين خالية من العيوب بكميات كبيرة بتكاليف منخفضة يسمح بتوسيع تطبيقات الجرافين إلى المزيد والمزيد من الصناعات.
الأدب / المراجع
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.