تقشير الغرافين باستخدام الماء
يتيح التقشير بالموجات فوق الصوتية إنتاج غرافين قليل الطبقات دون استخدام مذيبات قاسية، وباستخدام الماء النقي فقط. وتفصل المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة صفائح الغرافين خلال فترة معالجة قصيرة. ويحوّل تجنّب المذيبات تقشير الغرافين إلى عملية صديقة للبيئة ومستدامة.
إنتاج الغرافين عن طريق التقشير في الطور السائل
يُصنَّع الغرافين تجاريًا عن طريق ما يُسمّى التقشير في الطور السائل. ويتطلب تقشير الغرافين في الطور السائل استخدام مذيبات سامة وضارة بالبيئة ومكلفة، تُستخدم في المعالجة الكيميائية المسبقة أو بالاقتران مع تقنية تشتيت ميكانيكية. وبالنسبة إلى التشتيت الميكانيكي لصفائح الغرافين، ثبت أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية موثوقة للغاية وفعّالة وآمنة لإنتاج صفائح غرافين عالية الجودة بكميات كبيرة على نطاق صناعي كامل. ولأن استخدام المذيبات القاسية يصاحبه دائمًا تكاليف وتلوث وتعقيدات في الإزالة والتخلص منها ومخاوف تتعلق بالسلامة وأعباء بيئية، فإن البديل غير السام والأكثر أمانًا يقدم مزايا كبيرة. ولذلك يُعد تقشير الغرافين باستخدام الماء مذيبًا والموجات فوق الصوتية عالية القدرة لفصل صفائح الغرافين قليلة الطبقات ميكانيكيًا تقنية واعدة للغاية لتصنيع الغرافين بطريقة صديقة للبيئة.
تشمل المذيبات الشائعة، التي تُستخدم غالبًا طورًا سائلًا لتشتيت صفائح الغرافين النانوية، ثنائي ميثيل السلفوكسيد (DMSO)، وN,N-ثنائي ميثيل الفورماميد (DMF)، وN-ميثيل-2-بيروليدون (NMP)، ورباعي ميثيل اليوريا (TMU)، ورباعي هيدرو الفوران (THF)، وpropylene carbonateacetone (PC)، والإيثانول، والفورماميد.
باعتبار المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية راسخة منذ زمن طويل لتقشير الغرافين على نطاق تجاري، فإنها تتيح إنتاج غرافين عالي الجودة وعالي النقاء بتكلفة منخفضة. ولأن تقشير الغرافين بالموجات فوق الصوتية قابل للتوسيع خطيًا بالكامل إلى أي حجم، يمكن بسهولة تحقيق مردود إنتاج رقائق الغرافين عالية الجودة في الإنتاج الكمي للغرافين.
يُعد UIP2000hdT جهاز تشتيت قويًا بالموجات فوق الصوتية بقدرة 2kW لتقشير الغرافين وتشتيته.
تقشير الغرافين بالموجات فوق الصوتية في الماء
بحث Tyurnina وآخرون (2020) تأثيرات السعة وشدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في محاليل الماء النقي والغرافيت وتقشير الغرافين الناتج عنها. واستخدموا في الدراسة جهاز Hielscher UP200S (200W, 24kHz). وطُبّق التقشير بالموجات فوق الصوتية باستخدام الماء بوصفه عملية من خطوة واحدة لفصل طبقات الغرافين قليل الطبقات. وكانت معالجة قصيرة لمدة 2h كافية لإنتاج غرافين قليل الطبقات في منظومة معالجة بالموجات فوق الصوتية تستخدم كأسًا مخبريًا مفتوحًا.
تسلسل عالي السرعة من الإطارات (من a إلى f) يوضح التقشير الميكانيكي بالموجات فوق الصوتية لرقيقة غرافيت في الماء باستخدام UP200s، وهو جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية بتردد 24 kHz مزود بسونوترود مقاسه 3-mm. تُظهر الأسهم موضع الانفصال (التقشير) مع اختراق فقاعات التجويف للشق.
© Tyurnina وآخرون، 2020
تحسين تقشير الغرافين بالموجات فوق الصوتية
يمكن بسهولة تحسين منظومة الموجات فوق الصوتية التي استخدمها Tyurnina وآخرون (2020) لزيادة الكفاءة وتسريع التقشير، باستخدام مفاعل مغلق بالموجات فوق الصوتية في نمط التدفق المستمر. وتتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية ضمن خط المعالجة معالجةً أكثر تجانسًا بدرجة كبيرة لجميع مادة الغرافيت الخام: فعند تغذية محلول الغرافيت / الماء مباشرة إلى الحيز المحصور للتجويف بالموجات فوق الصوتية، يُعالَج الغرافيت كله بالموجات فوق الصوتية بصورة متجانسة، مما يؤدي إلى مردود مرتفع من رقائق الغرافين عالية الجودة.
تتيح أنظمة Hielscher Ultrasonics التحكم الدقيق في جميع معلمات المعالجة المهمة، مثل السعة والزمن / زمن المكوث والطاقة المُدخلة (Ws/mL) والضغط ودرجة الحرارة. ويؤدي ضبط المعلمات المثلى للموجات فوق الصوتية إلى أعلى مردود وجودة وكفاءة إجمالية.
كيف تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقشير الغرافين
عند إقران الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بمعلّق من مسحوق الغرافيت والماء أو أي مذيب، تُنشئ القوى الميكانيكية الناجمة عن الموجات فوق الصوتية، مثل القص الشديد والاضطرابات الشديدة والفروق الكبيرة في الضغط ودرجة الحرارة، ظروفًا عالية الطاقة. وتنتج هذه الظروف عالية الطاقة عن ظاهرة التجويف الصوتي.
اقرأ المزيد عن التجويف بالموجات فوق الصوتية هنا!
تبدأ الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تمدد مسحوق الغرافيت، إذ تُدفَع السوائل بين طبقات الغرافين التي يتكون منها الغرافيت. وتفصل قوى القص الناتجة عن الموجات فوق الصوتية صفائح الغرافين المفردة وتشتتها على هيئة رقائق غرافين في المحلول. وللحصول على ثبات طويل الأمد للغرافين في الماء، يلزم استخدام مادة خافضة للتوتر السطحي.
آلية تقشير الغرافين بالموجات فوق الصوتية في الطور السائل.
الدراسة والصورة من إعداد Tyurnina وآخرين، 2021.
أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتقشير الغرافين
صُممت الميزات الذكية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لضمان التشغيل الموثوق والنتائج القابلة للتكرار وسهولة الاستخدام. ويمكن الوصول إلى إعدادات التشغيل وضبطها بسهولة عبر قائمة بديهية، يمكن الوصول إليها من خلال شاشة لمس رقمية ملونة والتحكم عن بُعد عبر المتصفح. ولذلك تُسجَّل تلقائيًا جميع ظروف المعالجة، مثل الطاقة الصافية والطاقة الكلية والسعة والزمن والضغط ودرجة الحرارة، على بطاقة SD مدمجة. ويتيح لك ذلك مراجعة عمليات المعالجة بالموجات فوق الصوتية السابقة ومقارنتها، وتحسين عملية تقشير الغرافين لتحقيق أعلى كفاءة.
تُستخدم أنظمة Hielscher Ultrasonics في جميع أنحاء العالم لتصنيع صفائح الغرافين وأكاسيد الغرافين عالية الجودة. ويمكن لأجهزة المعالجة الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher العمل بسهولة بسعات عالية في التشغيل المستمر (24/7/365). ويمكن بسهولة توليد سعات تصل إلى 200µm بصورة مستمرة باستخدام السونوترودات القياسية (مجسات / أبواق الموجات فوق الصوتية و CascatrodesTM). وللحصول على سعات أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. وبفضل متانتها وانخفاض احتياجاتها إلى الصيانة، تُركَّب أنظمة التقشير بالموجات فوق الصوتية لدينا عادةً للتطبيقات الشاقة وفي البيئات ذات المتطلبات الصعبة.
معالجات Hielscher بالموجات فوق الصوتية لتقشير الغرافين مركّبة بالفعل على نطاق تجاري في جميع أنحاء العالم. اتصل بنا الآن لمناقشة عملية تصنيع الغرافين لديك! يسر فريقنا ذو الخبرة الواسعة مشاركة المزيد من المعلومات حول عملية التقشير وأنظمة الموجات فوق الصوتية والأسعار!
لمعرفة المزيد عن تخليق الغرافين وتشتيته وتعديل مجموعاته الوظيفية بالموجات فوق الصوتية، يُرجى النقر هنا:
- إنتاج الغرافين
- صفيحات الغرافين النانوية
- تقشير الغرافين باستخدام الماء
- الغرافين القابل للتشتيت في الماء
- أكسيد الغرافين
- Xenes
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 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 | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
تُصنّع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المخبري والتجريبي والصناعي.
المؤلفات / المراجع
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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. 737-747.
(Available under a Creative Commons Attribution 4.0: CC BY-NC-ND 4.0. See full terms here.) - Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- 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.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Štengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
حقائق تستحق المعرفة
ما هو الغرافين؟
الغرافين طبقة أحادية من ذرات الكربون المرتبطة بتهجين sp2. يتميز الغرافين بخصائص مادية فريدة، مثل مساحة سطح نوعية كبيرة بصورة استثنائية (2620 m2 g-1)، وخصائص ميكانيكية متفوقة بمعامل يونغ يبلغ 1 TPa ومقاومة ذاتية تبلغ 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 (أعلى من 3000 W m K-1)، وهذه بعض أهم خصائصه. وبفضل خصائصه المادية المتفوقة، يُستخدم الغرافين على نطاق واسع في تطوير وإنتاج البطاريات عالية الأداء وخلايا الوقود والخلايا الشمسية والمكثفات الفائقة ووحدات تخزين الهيدروجين والدروع الكهرومغناطيسية والأجهزة الإلكترونية. وعلاوة على ذلك، يُدمَج 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.
يتيح التحضير السريع والآمن للغرافين الخالي من العيوب بالموجات فوق الصوتية بكميات كبيرة وبتكاليف منخفضة توسيع تطبيقات الغرافين لتشمل المزيد والمزيد من الصناعات.
الغرافين طبقة من الكربون بسماكة ذرة واحدة، ويمكن وصفه بأنه بنية أحادية الطبقة أو ثنائية الأبعاد (2D) من الغرافين (الغرافين أحادي الطبقة = SLG). ويتمتع الغرافين بمساحة سطح نوعية كبيرة بصورة استثنائية وخصائص ميكانيكية متفوقة (معامل يونغ يبلغ 1 TPa ومقاومة ذاتية تبلغ 130 GPa)، ويوفر موصلية إلكترونية وحرارية ممتازة، وحركية عالية لحاملات الشحنة، وشفافية، وهو غير منفذ للغازات. وبفضل هذه الخصائص المادية، يُستخدم الغرافين بوصفه مادة مضافة للتقوية لإكساب المواد المركّبة مقاومته وموصليته وغير ذلك. ولدمج خصائص الغرافين مع مواد أخرى، يجب تشتيت الغرافين داخل المادة المركّبة أو تطبيقه على ركيزة على هيئة طلاء بغشاء رقيق.
موجات فوق صوتية عالية الأداء! تغطي مجموعة منتجات Hielscher النطاق الكامل، بدءًا من جهاز المعالجة المخبري المدمج بالموجات فوق الصوتية، مرورًا بالوحدات التي توضع على طاولة المختبر، وصولًا إلى أنظمة الموجات فوق الصوتية الصناعية الكاملة.