التقشير بالموجات فوق الصوتية للغرافين القابل للتشتت في الماء
- يمكن إنتاج صفائح الغرافين النانوية أحادية الطبقة وثنائية الطبقة بسرعة عن طريق التقشير بالموجات فوق الصوتية، بمعدل إنتاج مرتفع وبتكلفة منخفضة.
- يمكن تعديل الغرافين المقشّر بالموجات فوق الصوتية وظيفيًا باستخدام البوليمرات الحيوية للحصول على غرافين قابل للتشتت في الماء.
- يمكن مواصلة معالجة الغرافين المُصنّع باستخدام التجويف بالموجات فوق الصوتية لتحويله إلى مشتت مائي مستقر.
التقشير بالموجات فوق الصوتية للغرافين عالي الجودة
تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة موثوقة لإنتاج طبقات الغرافين (الغرافين أحادي الطبقة وثنائي الطبقة وقليل الطبقات) من رقائق الغرافيت أو جسيماته. وفي حين ترتبط تقنيات التقشير الشائعة الأخرى، مثل المطاحن الكروية ومطاحن الدرافيل أو الخلاطات ذات القص العالي، بانخفاض الجودة واستخدام كواشف ومذيبات شديدة التأثير، تتميز طريقة التقشير بالموجات فوق الصوتية بجودة نواتجها العالية وقدرتها العالية على المعالجة وظروف المعالجة المعتدلة.
يولّد التجويف بالموجات فوق الصوتية قوى قص شديدة تفصل طبقات الغرافيت المتراصة إلى غرافين خالٍ من العيوب، أحادي الطبقة وثنائي الطبقة وقليل الطبقات.
صفائح غرافين قابلة للتشتت في الماء بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية
تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية إجراءً فعالًا ذا نتائج قابلة للتكرار لفك تشابك الأنابيب النانوية الكربونية في الماء أو المذيبات العضوية.[/caption]في الظروف العادية، يصعب تشتيت الغرافين في الماء، ويشكّل تجمعات وتكتلات عند تشتيته في وسط مائي. ونظرًا إلى أن الأنظمة المائية تتمتع بمزايا مهمة، تتمثل في انخفاض تكلفتها وعدم سميتها وملاءمتها للبيئة، فإن أنظمة الغرافين القائمة على الماء تجذب بشدة مصنّعي الغرافين والصناعات التي تستخدمه في المراحل اللاحقة.
للحصول على صفائح غرافين نانوية قابلة للتشتت في الماء، يُعدّل الغرافين المقشّر بالموجات فوق الصوتية باستخدام عديدات السكاريد / البوليمرات الحيوية، مثل البولولان أو الكيتوسان أو الألجينات أو الجيلاتين أو الصمغ العربي.
- غرافين عالي الجودة
- مردود مرتفع
- مشتت مائي
- تركيز مرتفع
- كفاءة عالية
- عملية سريعة
- تكلفة منخفضة
- معدل إنتاج مرتفع
- ملائم للبيئة
مفاعل بالموجات فوق الصوتية مزوّد بأجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار لتقشير الغرافين على نطاق صناعي
بروتوكول التقشير المباشر للغرافيت باستخدام الموجات فوق الصوتية
أُذيب البولولان غير الأيوني والألجينات الأنيونية (1.0 g) كلٌّ على حدة في 20 ml من الماء المقطّر، بينما أُذيب الكيتوسان الكاتيوني (0.4 g) في 20 ml من الماء المقطّر المحتوي على حمض الأسيتيك بنسبة 1 wt%. شُتّت مسحوق الغرافيت في المحاليل المائية للبوليمرات الحيوية وعُولج باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP200S (القدرة القصوى 200 W، والتردد 24 kHz، من Hielscher Ultrasonics، ألمانيا)، مزوّد بسونوترود من التيتانيوم (طرف دقيق S3، وقطر الطرف 3 mm، والسعة القصوى 210µm، وكثافة القدرة الصوتية أو الشدة السطحية 460 W cm-2)، في الظروف التالية: دورة 0.5 وسعة 50%، لمدة 10 و20 و30 و60 min، على التوالي. تحققت أفضل النتائج عند المعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 30min. أُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 16.25 W لمدة 30 دقيقة، مع استهلاك للطاقة (الطاقة الناتجة لكل وحدة حجم) قدره 731 Ws ml-1.
بعد ذلك، خضعت المخاليط للطرد المركزي عند 1500 rpm لمدة 60 min لإزالة جسيمات الغرافيت غير المقشّرة، ثم غُسلت 5 مرات وخضعت مجددًا للطرد المركزي عند 5000 rpm لمدة 20 min لإزالة البوليمرات الحيوية الزائدة. جُفّفت المحاليل الناتجة ذات اللون الرمادي الداكن تحت التفريغ عند 40ºC إلى أن توقف فقدان الكتلة. وأُعيد تشتيت مساحيق البوليمر–الغرافين الناتجة في الماء (1 mg ml-1 للبولولان والكيتوسان؛ و0.18 mg ml-1 للألجينات) لتوصيفها. ورُمز إلى صفائح الغرافين الناتجة عن المعالجة بالموجات فوق الصوتية بمساعدة البولولان والألجينات والكيتوسان بالرموز pull-G وalg-G وchit-G، على التوالي.
من بين الأنظمة الثلاثة، كان البولولان والكيتوسان أكثر فعالية في تقشير الغرافيت من الألجينات. أنتجت هذه الطريقة صفائح غرافين مقشّرة أحادية الطبقة وثنائية الطبقة وقليلة الطبقات، مع قدر منخفض فقط من العيوب الجانبية (عند الحواف). ويمنح امتزاز البوليمرات الحيوية على سطح الغرافين المشتت المائي استقرارًا طويل الأمد (أكثر من 6 أشهر).
(راجع Unalan et al. 2015)
تتابع عالي السرعة من الإطارات (من a إلى f) يوضح التقشير الصوتي الميكانيكي لرقاقة غرافيت في الماء باستخدام UP200S، وهو جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 200W مزوّد بسونوترود مقاس 3-mm. تُظهر الأسهم موضع الانشقاق (التقشير)، مع اختراق فقاعات التجويف للشق.
(الدراسة والصور: © Tyurnina et al. 2020
صور بالمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لـ pull-G عند: (a) 10 min؛ (b) 20 min؛ (c) 30 min؛ (d) 60 min؛ (e) chit-G لمدة 30 min؛ (f) alg-G لمدة 30 min. (Unalan et al. 2015)
أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتقشير الغرافين
تُستخدم معالجات Hielscher عالية القدرة بالموجات فوق الصوتية في أنحاء العالم لتقشير الغرافيت والغرافين وتشتيتهما بنجاح. وتتوفر أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية لدينا بدءًا من الأجهزة المختبرية والأجهزة المكتبية وصولًا إلى وحدات الإنتاج الصناعي الكامل. وإلى جانب المتانة والتشغيل على مدار 24/7 وقلة متطلبات الصيانة، تتميز أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بسهولة المعالجة العالية وقابلية التوسّع الخطي.
يمكن اختبار العمليات وتحسينها بسهولة في المختبر. وبعد ذلك، يمكن توسيع نطاق جميع نتائج العمليات بصورة خطية تمامًا إلى مستوى الإنتاج التجاري. وهذا يجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة إنتاج فعالة وعالية الكفاءة لإنتاج كميات كبيرة من صفائح الغرافين عالية الجودة.
يمكن للمعالجات الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher Ultrasonics توفير سعات عالية جدًا. ويمكن تشغيلها بسهولة وباستمرار بسعات تصل إلى 200µm على مدار 24/7. وتتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية لتوفير سعات أعلى من ذلك. وتضمن المفاعلات الملائمة للموجات فوق الصوتية إمكانية الإنتاج الكمي الموثوق والآمن لصفائح الغرافين النانوية عالية الجودة، وكذلك لمشتتات الصفائح النانوية المستقرة.
تتيح متانة معدات Hielscher للموجات فوق الصوتية التشغيل على مدار 24/7 تحت أحمال تشغيل شديدة وفي بيئات متطلبة.
يعطيك الجدول أدناه مؤشرًا على القدرة التقريبية للمعالجة لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
تواصل معنا! / اسألنا!
آلية التقشير بالموجات فوق الصوتية للصفائح النانوية ثنائية الأبعاد (2D).
(الدراسة والرسم التوضيحي: Tyurnina et al., 2020)
حقائق جديرة بالمعرفة
الغرافين
الغرافين طبقة أحادية من ذرات الكربون المرتبطة وفق تهجين sp2. يتميز الغرافين بخصائص مادية فريدة، مثل مساحة سطح نوعية كبيرة بصورة استثنائية (2620 m2 g-1)، وخصائص ميكانيكية فائقة بمعامل يونغ قدره 1 TPa ومتانة ذاتية قدرها 130 GPa، وموصلية إلكترونية عالية للغاية (حركية الإلكترونات عند درجة حرارة الغرفة تبلغ 2.5 × 105 cm2 V-1 s-1)، وموصلية حرارية عالية جدًا (تزيد على 3000 W m K-1)، وذلك لذكر أهم الخصائص. ونظرًا إلى خصائصه المادية الفائقة، يُستخدم الغرافين بكثرة في تطوير وإنتاج البطاريات عالية الأداء وخلايا الوقود والخلايا الشمسية والمكثفات الفائقة ووحدات تخزين الهيدروجين والدروع الكهرومغناطيسية والأجهزة الإلكترونية. علاوة على ذلك، يُدمج الغرافين في العديد من المركّبات النانوية والمواد المركّبة بوصفه مادة مضافة للتقوية، مثل البوليمرات والسيراميك والمصفوفات المعدنية. وبفضل موصليته العالية، يُعد الغرافين مكوّنًا مهمًا في الدهانات والأحبار الموصلة.
إن تحضير الغرافين الخالي من العيوب بالموجات فوق الصوتية بسرعة وأمان وبكميات كبيرة وبتكاليف منخفضة يتيح توسيع تطبيقات الغرافين لتشمل المزيد من الصناعات.
المؤلفات/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.
تصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية بأحجام تتراوح من الحجم المختبري إلى الحجم الصناعي.