Ultrasəslə eksfoliasiya vasitəsilə sənaye miqyasında birqatlı qrafen
Qrafen müasir elmin ən maraqlı materiallarından birinə çevrilib – bunun da əsaslı səbəbləri var. O, sadəcə “başqa bir karbon materialı” deyil. Qrafen mükəmməl nizamlanmış arı pətəyi quruluşlu qəfəsdə yerləşən karbon atomlarının tək qatıdır və zahirən sadə görünən bu quruluş az sayda materialın uyğun gələ biləcəyi heyrətamiz xüsusiyyətlər birləşməsi yaradır.
Əsas çətinlik həmişə budur: Yüksək keyfiyyətli birqatlı qrafeni səmərəli, sabit şəkildə və sənaye həcmində necə istehsal edə bilərik?
Yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs eksfoliasiyası – xüsusilə Hielscher zond tipli sonikatorları ilə – məhz burada praktik və miqyası artırıla bilən həll təklif edir.
Problem: Birqatlı qrafenin böyük miqyasda istehsalı
Qrafen təbii olaraq qrafitin daxilində mövcuddur; burada milyonlarla qrafen qatı bir-birinin üzərinə sıx yığılmışdır. Bu qatlar güclü qatlararası qüvvələrlə (van der Waals qarşılıqlı təsirləri ilə) bir yerdə saxlanılır və bu, onların zədələnmədən ayrılmasını çətinləşdirir.
Məqsəd aydındır:
- Birqatlı qrafenin yüksək çıxımı
- Qrafen qəfəsinin minimal zədələnməsi
- Vərəqələrin vahid ölçüsü və morfologiyası
- Miqyasın sənaye həcmlərinə qədər artırılması
- İqtisadi səmərəlilik və ekoloji davamlılıq
Ənənəvi üsullar bütün bu tələbləri eyni vaxtda ödəməkdə çətinlik çəkir.
Qrafenin ultrasəslə eksfoliasiyası
Ənənəvi eksfoliasiya üsulları niyə yetərli deyil
Ənənəvi eksfoliasiya üsullarına mexaniki, kimyəvi və maye fazada eksfoliasiya daxildir. Bütün bu üsulların qrafen istehsalını səmərəsiz və/və ya təhlükəli edən məhdudiyyətləri var.
Mexaniki eksfoliasiya
Ən tanınmış mexaniki texnika məşhur “Scotch yapışqan lenti” üsuludur. Bu üsulla ilkin quruluşu qorunmuş və kimyəvi modifikasiya olunmamış qrafen əldə etmək mümkündür, lakin:
- çıxım son dərəcə aşağıdır
- vərəqələr qeyri-müntəzəmdir
- istehsal üçün tamamilə praktik deyil
Kimyəvi eksfoliasiya
Bu üsul qatlar arasındakı rabitələri qırmaq üçün güclü turşulardan və oksidləşdiricilərdən istifadə edir, lakin:
- qatışıqlar və qüsurlar yaradır
- kimyəvi tullantılar əmələ gətirir
- həlledicilər, kimyəvi maddələr və tullantıların utilizasiyası səbəbindən xərcləri artırır
- qrafenin kimyəvi quruluşunu dəyişir (çox vaxt daimi olaraq)
Ənənəvi maye fazada eksfoliasiya
Bu yanaşmanın miqyasını artırmaq daha asandır, lakin o, çox vaxt aşağıdakıları tələb edir:
- N-metil-2-pirrolidon (NMP) və ya dimetilformamid (DMF) kimi xüsusi həlledicilər
- uzun emal müddətləri
- yüksək enerji verilmədikdə məhdud çıxım və proses səmərəliliyi
Qrafen nanovərəqələrinin yüksək ayırdetmə qabiliyyətli TEM təsvirləri
ultrasəslə dəstəklənən Hummer üsulu ilə.
(Tədqiqat və qrafik: Ghanem və Rehim, 2018)
Qrafenin ultrasəslə istehsalı: Sənaye inkişafının gələcək yolu
Qrafenin ultrasəslə sintezi yüksək güclü zondla sonikasiya tətbiq edildikdə olduqca səmərəli olur; bu üsul enerjini birbaşa suspenziyaya ötürür – ultrasəs vannasında sonikasiyadan qat-qat səmərəli şəkildə.
Praktikada ultrasəs qrafen istehsalını iki əsas yolla dəstəkləyir:
Üsul 1: Ultrasəslə dəstəklənən Hummers üsulu (qrafen oksidi)
Hummers üsulu qrafitin güclü turşular və oksidləşdirici maddələr qarışığı ilə – adətən sulfat turşusu, nitrat turşusu və kalium permanqanatla – oksidləşdirildiyi kimyəvi yoldur. Bu reaksiya zamanı karbon qəfəsinə hidroksil, epoksid və karboksil qrupları kimi oksigen tərkibli funksional qruplar daxil edilir. Nəticədə qrafenin kimyəvi modifikasiya olunmuş törəməsi olan qrafen oksidi (GO) alınır.
Bu proses zamanı ultrasəs tətbiq edildikdə reaksiyanın səmərəliliyi əhəmiyyətli dərəcədə artır. Ultrasəslə qarışdırma reagentlər və qrafit hissəcikləri arasında kütlə ötürülməsini yaxşılaşdıraraq daha vahid oksidləşməni təmin edir. Eyni zamanda, kavitasiyanın yaratdığı kəsilmə qüvvələri oksidləşmiş qrafit qatlarının ayrı-ayrı vərəqələrə ayrılmasına kömək edir, eksfoliasiyanı sürətləndirir və dispersiyanın keyfiyyətini yaxşılaşdırır.
Ultrasəsin burada gördüyü işlər:
- kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırır
- dispersiyalaşmanı sürətləndirir
- oksidləşmiş qatların ayrı-ayrı vərəqələrə ayrılmasına kömək edir
Bu üsulun məhsulu səthinin hidrofil kimyəvi xüsusiyyətləri sayəsində suda asanlıqla dispersiya olunan birqatlı və ya azqatlı vərəqələr formasında qrafen oksididir. Daxil edilmiş funksional qruplar sayəsində qrafen oksidi yüksək reaksiya qabiliyyətinə malikdir və sonrakı kimyəvi funksionallaşdırma, kompozitlərə daxil edilmə və ya modifikasiya olunmuş qrafen strukturlarına qədər reduksiya üçün çox uyğundur.
Ultrasəslə dəstəklənən Hummer üsulunun məhsulları:
- qrafen oksidi vərəqələri
- suda hidrofil dispersiyalar
- funksionallaşdırma üçün uyğun olan kimyəvi modifikasiya olunmuş qrafen forması
Bu yanaşma məqsəd ilkin quruluşu qorunmuş və kimyəvi modifikasiya olunmamış qrafen deyil, sonrakı modifikasiya və ya fazalararası sərhəddə xüsusi tətbiqlər üçün nəzərdə tutulmuş, kimyəvi xüsusiyyətləri tənzimlənə bilən səthi aktiv material olduqda xüsusilə uyğundur.
Hummer üsulu və natrium dodesilbenzolsulfonatdan (SDS) istifadə edən dispersiyalaşdırma texnikası ilə aparılan qrafen sintezinin qrafik təsviri: (A) qrafitin quruluşu; (B) dispersiya olunmuş qrafen nanoplateletləri (UP100H sonikatorundan istifadə etməklə); (C) reduksiya olunmuş qrafen oksidi; və (D) qrafen oksidi.
(Tədqiqat və qrafik: Ghanem və Rehim, 2018)
Üsul 2: Ultrasəslə maye fazada eksfoliasiya (ilkin quruluşu qorunmuş və kimyəvi modifikasiya olunmamış qrafen)
Ultrasəslə maye fazada eksfoliasiya zamanı həcmli qrafit uyğun həlledicidə – adətən N-metil-2-pirrolidonda (NMP) və ya dimetilformamiddə (DMF) – dispersiya olunur və yüksək güclü ultrasəsin təsirinə məruz qoyulur. Oksidləşdirici üsullardan fərqli olaraq, bu proses mahiyyətcə kimyəvi deyil, fizikidir.
Tətbiq edilən ultrasəs enerjisi mayenin daxilində güclü kavitasiya qüvvələri yaradır. Bu qüvvələr qrafen qatlarını bir yerdə saxlayan van der Waals qarşılıqlı təsirlərini aşaraq qrafiti fiziki olaraq ayrı-ayrı qrafen vərəqələrinə ayırır. Eksfoliasiya irəlilədikcə həlledici mühitində qrafen nanovərəqələrinin sabit dispersiyaları əmələ gəlir.
Ultrasəsin burada gördüyü işlər:
- qrafiti fiziki olaraq qatlara ayırır
- ayrı-ayrı qrafen qatlarını ayırır
- sabit qrafen dispersiyaları yaradır
Əsas məqsəd ilkin sp² karbon qəfəsinin bütövlüyünü qorumaq olduqda bu üsula üstünlük verilir. Aqressiv oksidləşdirici maddələrdən istifadə edilmədiyi üçün qrafenin kristal quruluşu və özünəməxsus elektrik və mexaniki xüsusiyyətləri daha böyük dərəcədə qoruna bilər. Bundan əlavə, ultrasəslə maye fazada eksfoliasiya miqyası artırıla bilən istehsal üçün çox uyğundur və məhsulun xüsusiyyətlərinin sabitliyini qoruyaraq laboratoriya tədqiqatlarından sənaye istehsalına etibarlı keçidə imkan verir.
Məqsədiniz aşağıdakılar olduqda bu yanaşmaya üstünlük verilir:
- İlkin sp² qəfəsini qorumaq
- Yüksək keyfiyyətli qrafen nanovərəqələri istehsal etmək
- İstehsalın miqyasını etibarlı şəkildə artırmaq
Xülasə olaraq, Hummers üsulu kimyəvi modifikasiyaya üstünlük verdiyi halda, ultrasəslə maye fazada eksfoliasiya quruluşun qorunmasına və yüksək keyfiyyətli qrafen nanovərəqələrinin istehsalına yönəlir.
3-mm sonotroda malik 200W ultrasəs cihazı olan UP200S ilə suda qrafit pulcuğunun sonomexaniki eksfoliasiyasını göstərən yüksək sürətli kadrlar ardıcıllığı (a-dan f-ə qədər). Oxlar kavitasiya qabarcıqlarının yarığa daxil olduğu parçalanma (eksfoliasiya) yerini göstərir.
(tədqiqat və şəkillər: © Tyurnina və b. 2020
Doğru yolun seçilməsi: Qorumaq, yoxsa modifikasiya etmək?
Sadə bir sual ən yaxşı üsulu müəyyən edir:
İlkin quruluşu qorunmuş və kimyəvi modifikasiya olunmamış qrafen istəyirsiniz – yoxsa funksionallaşdırılmış qrafen oksidi?
Maye fazada eksfoliasiya qəfəsin qorunmasına və qatlararası qüvvələrin yumşaq şəkildə aşılmasına yönəlir.
Hummers üsulu oksigen qrupları və qüsurlar daxil edərək kimyəvi quruluşu məqsədli şəkildə dəyişir; ultrasəs isə əsasən quruluşu qorumaqdan çox, dispersiyalaşmanı yaxşılaşdırır.
Bu fərq son qrafen məhsulunun göstəricilərinə və tətbiq potensialına güclü təsir göstərir.
UIP16000hdT sənaye sonikatoru yüksək emal məhsuldarlığı ilə eksfoliasiya və nanodispersiyalaşdırma üçün
Ultrasəslə eksfoliasiya sənaye qrafeni üçün niyə üstün nəticələr verir
Ənənəvi eksfoliasiya yanaşmaları ilə müqayisədə ultrasəslə maye fazada eksfoliasiya səmərəlilik, məhsul keyfiyyəti və miqyasın sənaye səviyyəsinə qədər artırılması imkanlarının nadir birləşməsini təklif edir.
Onun ən əhəmiyyətli üstünlüklərindən biri yüksək eksfoliasiya çıxımıdır. Optimallaşdırılmış emal şəraitində ultrasəs kavitasiyası qrafen vərəqələrini qrafitdən nəzərəçarpacaq dərəcədə yüksək səmərəliliklə ayıra bilər və çox vaxt əsasən birqatlı material əldə olunur. Bu, yalnız minimal miqdarda istifadə edilə bilən qrafen verən mexaniki eksfoliasiya ilə müqayisədə əhəmiyyətli təkmilləşmədir.
Vahidlik digər həlledici amildir. Kavitasiya prosesinə diqqətlə nəzarət etmək mümkün olduğundan, əldə edilən qrafen vərəqələri adətən sabit qalınlıq və morfologiya göstərir. Material xüsusiyyətlərinin sabitliyinin məhsulun göstəricilərinə birbaşa təsir etdiyi sənaye tətbiqlərində bu təkrarlana bilmə vacibdir.
Miqyasın artırılması imkanı ultrasəs emalını daha da fərqləndirir. Laboratoriya stəkanında işləyən proses pilot miqyasa və nəticədə sənaye səviyyəsində axın daxilində istehsala keçirilə bilər. Fasiləsiz ultrasəs axın reaktorları böyük həcmdə qrafit dispersiyasını nəzarət edilən və təkrarlana bilən şəraitdə emal etməyə imkan verərək texnologiyanı kommersiya baxımından əlverişli edir.
Prosesə nəzarət əlavə çeviklik yaradır. Amplituda, verilən ultrasəs gücü, təzyiq, temperatur və reaktorda qalma müddəti kimi parametrlər dəqiq tənzimlənə bilər. Bu, istehsalçılara təkrarlana bilməni qoruyaraq qrafenin xüsusiyyətlərini konkret tətbiq tələblərinə uyğunlaşdırmağa imkan verir.
Nəhayət, ultrasəslə maye fazada eksfoliasiya daha davamlı həlledici sistemlərindən istifadə etməklə həyata keçirilə bilər. Tərkibdən və hədəf tətbiqdən asılı olaraq, etanol əsaslı sistemlər, ion mayeləri və hətta sulu mühitlər tətbiq edilə bilər; bunlar güclü oksidləşdirici kimyəvi yollarla müqayisədə ekoloji və normativ tələblər baxımından üstünlüklər təklif edir.
Hielscher zond sonikatorları qrafenin eksfoliasiyası üçün niyə idealdır
Hielscher Ultrasonics xüsusi olaraq qrafen emalına uyğun tam texnologiya platforması təqdim edir.
Əsas üstünlüklərə aşağıdakılar daxildir:
- zond tipli ultrasəs (ultrasəs vannasında sonikasiyadan qat-qat səmərəli)
- əl və masaüstü sistemlərdən sənaye üçün 24/7 işləyən reaktorlara qədər miqyasın artırılması imkanı
- amplituda, güc və təzyiqə dəqiq nəzarət
- fasiləsiz iş üçün möhkəm, sənaye tələblərinə uyğun konstruksiya
Partiyalarla və axın daxilində emal: Laboratoriyadan fabrikə
Hielscher sistemləri həm partiyalarla, həm də axın daxilində emalı dəstəkləyərək tədqiqatdan istehsala rəvan keçidə imkan verir.
Partiyalarla sonikasiyanı həyata keçirmək asandır və bu üsul laboratoriya tədqiqatları, tərkibin hazırlanması və kiçik miqyaslı qrafen istehsalı üçün xüsusilə uyğundur. O, çeviklik və parametrlərin sürətli optimallaşdırılması imkanını təmin etdiyindən prosesin hazırlanmasının ilkin mərhələlərində idealdır.
Lakin sənaye miqyaslı istehsal üçün adətən axın daxilində emala üstünlük verilir. Bu konfiqurasiyada qrafit dispersiyası ultrasəs axın kameralı reaktorundan fasiləsiz olaraq nasosla keçirilir. Bu, kavitasiya qüvvələrinin vahid təsirini təmin edərək sabit eksfoliasiya keyfiyyəti və yüksək emal məhsuldarlığı verir. Təzyiq altında işlədilə bilən reaktorlarla birləşdirildikdə kavitasiyanın intensivliyi daha da artırıla bilər və bununla eksfoliasiyanın səmərəliliyi və məhsuldarlıq yüksəlir.
Hielscher sistemlərinin modul quruluşu şirkətlərə əsas texnologiya platformasını dəyişmədən masaüstü miqyasda təcrübələrdən başlayaraq tam fasiləsiz, 24/7 sənaye istehsalına qədər genişlənməyə imkan verir.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal qabiliyyəti barədə məlumat verir:
| Partiyanın həcmi | Axın sürəti | Tövsiyə olunan cihazlar |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | daha yüksək | cihazlar klasteri: UIP16000hdT |
Qrafendən kənarda: 2D materiallar (“ksenlər”) üçün ultrasəs
Ultrasəslə eksfoliasiya qrafenlə məhdudlaşmır.
O, qrafenin birqatlı 2D analoqları olan ksenlərin istehsalı üçün də geniş istifadə olunur; bunlara aşağıdakılar daxildir:
- Borofen (və borofen nanolentləri / borofen oksidi)
- MXenes (2D keçid metalı karbidləri, nitridləri, karbonitridləri)
- Bismuten (elektrokataliz və biouyğunluğu ilə seçilir)
- Silisen (qrafenəbənzər 2D silisium)
Eyni kavitasiya mexanizmi ultrasəsi bir çox laylı 2D material üçün miqyası ən asan artırıla bilən yollardan birinə çevirir.
UIP2000hdT sonikatoru qrafenin sənaye sintezi üçün
Ədəbiyyat / İstinadlar
- FactSheet – Ultrasonic Graphene Exfoliation – Hielscher Ultrasonics
- 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.
- 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.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Tez-tez verilən suallar
Qrafeni bu qədər unikal edən nədir?
Qrafen çox vaxt məlum olan ən nazik və ən möhkəm material kimi təsvir edilir. Lakin onun əsl dəyəri atom quruluşunun fövqəladə göstəricilər yaratmasındadır.
- Son dərəcə yüksək mexaniki möhkəmlik
Qrafenin dartılma möhkəmliyinin poladınkından 200 dəfəyə qədər yüksək olduğu təxmin edilir. Bu, onu yüngül, yüksək möhkəmlikli materiallar üçün ideal namizədə çevirir – xüsusilə hər qrama düşən göstəricilərin əhəmiyyət daşıdığı sənaye sahələrində. - Müstəsna elektrik keçiriciliyi
Qrafen elektriki hətta misdən də yaxşı keçirir. Bu, çevik sxemlər və ultranazik komponentlər də daxil olmaqla, daha sürətli, daha kiçik və daha səmərəli elektronika üçün imkanlar açır. - Üstün istilik keçiriciliyi
Qrafen istiliyi son dərəcə yaxşı keçirir – hətta almazdan da yaxşı. Bu, onu elektronikada istiliyin yayılması, istilik idarəetmə sistemləri və qabaqcıl enerji cihazları üçün çox qiymətli edir. - Yüksək optik şəffaflıq
Möhkəmliyinə və keçiriciliyinə baxmayaraq, qrafen demək olar ki, şəffafdır. Bu, onu şəffaf keçirici təbəqələr, optik komponentlər və qabaqcıl ekran texnologiyaları üçün uyğun edir.
Qrafen niyə bir çox sənaye sahəsi üçün “platforma materialı”dır?
Qrafen mexaniki möhkəmliyi, elektrik keçiriciliyini, istilik göstəricilərini və optik şəffaflığı unikal şəkildə birləşdirdiyindən tək bir dar tətbiq sahəsi ilə məhdudlaşmır. Əksinə, o, bütöv texnologiya sektorlarını təkmilləşdirə bilən platforma materialı rolunu oynayır.
- Elektronikada qrafen ultranazik, çevik və yüksək məhsuldarlıqlı komponentlərin hazırlanmasına imkan verir. Tədqiqatçılar onun yeni nəsil tranzistorlara, şəffaf keçirici təbəqələrə, günəş elementlərinə və işıq yayan cihazlara inteqrasiyasını araşdırırlar. Onun yükdaşıyıcılarının müstəsna hərəkətliliyi miniatürləşdirilmiş və yüksək sürətli elektron sistemlər üçün onu xüsusilə cəlbedici edir.
- Enerji saxlama sahəsində qrafenin yüksək elektrik keçiriciliyi və istilik sabitliyi batareyaların və superkondensatorların göstəricilərinin yaxşılaşmasına kömək edir. Qrafen ehtiva edən cihazlar daha yüksək enerji sıxlığı, daha sürətli şarj sürətləri və daha yüksək dövr sabitliyi göstərə bilər – bunlar elektrik nəqliyyatı və bərpa olunan enerji sistemləri üçün mühüm parametrlərdir.
- Qrafen kompozit materialların xüsusiyyətlərini də əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Polimerlərə, metallara və ya keramikaya daxil edildikdə hətta kiçik miqdarlar belə mexaniki möhkəmliyi, sərtliyi və istilik keçiriciliyini artıra bilər. Bu, qrafenlə möhkəmləndirilmiş kompozitləri aerokosmik komponentlər, avtomobil konstruksiyaları və qabaqcıl tikinti materialları üçün cəlbedici edir.
- Biotibbi və biomühəndislik tətbiqlərində qrafenin tənzimlənə bilən səth kimyası və biouyğunluğu onun dərman çatdırma sistemlərində, biosensorlarda və toxuma mühəndisliyi karkaslarında istifadəsinə imkan verir. Bu xüsusiyyətlər qabaqcıl diaqnostika və müalicə texnologiyaları üçün yollar açır.
Hielscher Ultrasonics yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir – laboratoriya ölçüsündən başlayaraq sənaye ölçüsünə qədər.