Ultrasonik Aşındırma İstifadəsi ilə Sənaye Miqyaslı Tək Laylı Qrafen
Qrafen müasir elmin ən maraqlı materiallarından birinə çevrilib – və yaxşı səbəbdən. Bu, sadəcə deyil “başqa bir karbon materialı.” Qrafen, mükəmməl nizamlanmış pətək qəfəsində yerləşdirilmiş tək bir karbon atom təbəqəsidir və bu zahirən sadə quruluş, az sayda materialın müqayisə edə biləcəyi heyrətamiz xüsusiyyətlər kombinasiyasını yaradır.
Çətinlik həmişə budur: Yüksək keyfiyyətli tək qatlı qrafenləri necə səmərəli, ardıcıl və sənaye miqyasında istehsal edə bilərik?
Yüksək performanslı ultrasəs aşındırmanın olduğu yer budur – xüsusilə Hielscher zond tipli sonikatorlarla – praktik və genişlənə bilən bir cavab təklif edir.
Problem: Miqyasda Tək Qatlı Qrafen İstehsalı
Qrafen təbii olaraq qrafitin içərisində mövcuddur və milyonlarla qrafen təbəqəsi bir-birinə sıx şəkildə yığılır. Bu təbəqələr güclü təbəqələrarası qüvvələr (van der Waals qarşılıqlı təsirləri) tərəfindən tutulur və bu da onların təmiz şəkildə ayrılmasını çətinləşdirir.
Məqsəd aydındır:
- Tək qatlı qrafenin yüksək məhsuldarlığı
- Qrafen qəfəsinə minimal ziyan
- Vahid vərəq ölçüsü və morfologiyası
- Sənaye həcmlərinə uyğunlaşdırıla bilər
- Xərc baxımından səmərəli və ekoloji cəhətdən davamlıdır
Ənənəvi metodlar bütün bu tələbləri bir anda yerinə yetirməkdə çətinlik çəkir.
Ultrasonik Qrafen Aşındırılması
Niyə Ənənəvi Pilinq Üsulları Qeyri-kafidir
Ənənəvi pilinq üsullarına mexaniki, kimyəvi və maye fazalı pilinq daxildir. Bütün bu üsullar qrafen istehsalını səmərəsiz və/və ya təhlükəli edən məhdudiyyətlərə malikdir.
Mexaniki Pilinq
Ən görkəmli mexaniki texnika məşhurdur “Skopter” metod. Təmiz qrafen istehsal edə bilər, lakin:
- məhsuldarlıq olduqca aşağıdır
- vərəqlər nizamsızdır
- istehsal üçün tamamilə praktik deyil
Kimyəvi Pilinq
Bu üsul təbəqə bağlarını qırmaq üçün güclü turşular və oksidləşdiricilərdən istifadə edir, lakin:
- çirkləri və qüsurları ortaya çıxarır
- kimyəvi tullantılar əmələ gətirir
- həlledicilər, kimyəvi maddələr və tullantılar səbəbindən xərcləri artırır
- qrafen kimyasını dəyişir (çox vaxt daimi olaraq)
Ənənəvi Maye Fazalı Pilinq
Bu yanaşma daha geniş miqyaslıdır, lakin tez-tez tələb edir:
- N-Metil-2-pirrolidon (NMP) və ya Dimetilformamid (DMF) kimi xüsusi həlledicilər
- uzun emal müddətləri
- yüksək enerji girişi olmadan məhdud məhsuldarlıq və proses səmərəliliyi
Qrafen nanosərfələrinin yüksək keyfiyyətli TEM şəkilləri
ultrasəs Hummer metodu ilə.
(Tədqiqat və qrafika: Ghanem və Rehim, 2018)
Ultrasonik Qrafen İstehsalı: Sənaye Yolu İrəli
Ultrasəs qrafen sintezi, enerjini birbaşa suspenziyaya çatdıran yüksək güclü zond sonikasiyasından istifadə edərkən olduqca təsirli olur. – hamam sonikasiyasından daha səmərəlidir.
Təcrübədə, ultrasəs qrafen istehsalını iki əsas yolla dəstəkləyir:
Metod 1: Ultrasəslə Yardımlı Hummers’ Metod (Qrafen oksidi)
Hummerlər’ Metod, qrafitin güclü turşular və oksidləşdirici maddələrin - adətən sulfat turşusu, nitrat turşusu və kalium permanganatın qarışığından istifadə edərək oksidləşdiyi kimyəvi bir yoldur. Bu reaksiya zamanı hidroksil, epoksid və karboksil qrupları kimi oksigen tərkibli funksional qruplar karbon qəfəsinə daxil edilir. Nəticədə qrafenin kimyəvi cəhətdən modifikasiya olunmuş törəməsi olan qrafen oksidi (GO) əmələ gəlir.
Bu proses zamanı ultrasəs tətbiq edildikdə, reaksiya səmərəliliyi əhəmiyyətli dərəcədə artır. Ultrasəs qarışdırma reaktivlər və qrafit hissəcikləri arasında kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırır və daha vahid oksidləşməni təmin edir. Eyni zamanda, kavitasiyanın yaratdığı kəsmə qüvvələri oksidləşmiş qrafit təbəqələrinin fərdi təbəqələrə ayrılmasını təşviq edir, aşınmanı sürətləndirir və dispersiya keyfiyyətini yaxşılaşdırır.
Ultrasəs burada nə edir:
- kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırır
- dispersiyanı sürətləndirir
- oksidləşmiş təbəqələri tək təbəqələrə ayırmağa kömək edir
Bu metodun məhsulu, hidrofilik səth kimyasına görə suda asanlıqla dağılan tək və ya az qatlı təbəqələr şəklində qrafen oksididir. Təqdim edilən funksional qruplar səbəbindən qrafen oksidi yüksək reaktivliyə malikdir və sonrakı kimyəvi funksionallaşdırma, kompozit inteqrasiya və ya modifikasiya olunmuş qrafen strukturlarına reduksiya üçün çox uyğundur.
Ultrasəslə dəstəklənən Hummer metodu nə verir:
- qrafen oksid təbəqələri
- suda hidrofilik dispersiyalar
- funksionallaşdırma üçün uyğun kimyəvi cəhətdən modifikasiya olunmuş qrafen forması
Bu yanaşma, məqsəd təmiz qrafen deyil, daha çox modifikasiya və ya xüsusi interfeys tətbiqləri üçün hazırlanmış səthi aktiv, kimyəvi cəhətdən tənzimlənən bir material olduqda xüsusilə uyğundur.
Natrium dodesilbenzensulfonat (SDS) istifadə edərək Hummer metodu və dispersiya texnikasından hazırlanmış qrafen sintezinin qrafik təsviri: (A) qrafit quruluşu; (B) disperslənmiş qrafen nanotrombositləri sonicator UP100H istifadə edərək; (C) reduksiya olunmuş qrafen oksidi; və (D) qrafen oksidi.
(Tədqiqat və qrafika: Ghanem və Rehim, 2018)
Metod 2: Ultrasəs Maye Fazalı Aşındırma (Saf Qrafen)
Ultrasəs maye fazalı aşındırmada, toplu qrafit uyğun bir həlledicidə - adətən N-metil-2-pirrolidon (NMP) və ya dimetilformamiddə (DMF) - dispersiya olunur və yüksək güclü ultrasəsə məruz qalır. Oksidləşdirici metodlardan fərqli olaraq, bu proses əsasən kimyəvi deyil, fizikidir.
Tətbiq olunan ultrasəs enerjisi maye daxilində intensiv kavitasiya qüvvələri yaradır. Bu qüvvələr qrafen təbəqələrini bir yerdə saxlayan van der Waals qarşılıqlı təsirlərini aradan qaldırır və qrafiti fərdi qrafen təbəqələrinə fiziki olaraq ayırır. Aşınma prosesi irəlilədikcə, həlledici mühitdə qrafen nanosərfətlərinin sabit dispersiyaları əmələ gəlir.
Ultrasəs burada nə edir:
- qrafiti fiziki olaraq qatılaşdırır
- fərdi qrafen təbəqələrini ayırır
- sabit qrafen dispersiyaları əmələ gətirir
Bu üsul, əsas məqsəd orijinal sp² karbon qəfəsinin bütövlüyünü qorumaq olduqda üstünlük təşkil edir. Aqressiv oksidləşdirici maddələr iştirak etmədiyi üçün qrafenin kristal quruluşu və daxili elektrik və mexaniki xüsusiyyətləri daha böyük dərəcədə qorunub saxlanıla bilər. Bundan əlavə, ultrasəs maye fazalı aşındırma, məhsulun tutarlılığını qoruyarkən laboratoriya tədqiqatlarından sənaye istehsalına etibarlı keçidə imkan verən miqyaslı istehsal üçün çox uyğundur.
Məqsədiniz aşağıdakılar olduqda bu yanaşma üstünlük verilən seçimdir:
- Orijinal sp² qəfəsinin qorunması
- Yüksək keyfiyyətli qrafen nanosərfəli təbəqələrin istehsalı
- İstehsalın etibarlı şəkildə artırılması
Xülasə, Hummers’ Metod kimyəvi modifikasiyaya üstünlük verir, ultrasəs maye fazalı aşındırma struktur qorunmasına və yüksək keyfiyyətli qrafen nanosərbət istehsalına yönəlmişdir.
UP200S, 3 mm sonotrode ilə 200 Vt ultrasəs cihazından istifadə edərək suda qrafit ləpəsinin sono-mexaniki aşındırılmasını göstərən kadrların yüksək sürətli ardıcıllığı (a-dan f-ə qədər). Oxlar parçalanma yerini (eksfoliasiya) göstərir, boşluğa nüfuz edən kavitasiya qabarcıqları ilə.
(tədqiqat və şəkillər: © Tyurnina et al. 2020
Düzgün marşrutu seçmək: Qorumaq, yoxsa dəyişdirmək?
Sadə bir sual ən yaxşı metodu müəyyən edir:
Təmiz qrafen istəyirsiniz? – yoxsa funksionallaşdırılmış qrafen oksidi?
Maye fazalı pilinq, qəfəsin qorunmasına və təbəqələrarası qüvvələrin yavaşca dəf edilməsinə yönəlmişdir.
Hummerlər’ Metod qəsdən kimyəvi tərkibi dəyişdirir, oksigen qrupları və qüsurları yaradır və ultrasəs əsasən strukturu qorumaq əvəzinə dispersiyanı yaxşılaşdırır.
Bu fərq son qrafenin performansına və tətbiq potensialına güclü təsir göstərir.
Sənaye sonikatoru UIP16000hdT yüksək məhsuldarlıqda aşındırma və nano-dispersiya üçün
Niyə Ultrasonik Aşındırma Sənaye Qrafen üçün Üstündür
Ənənəvi aşındırma yanaşmaları ilə müqayisədə, ultrasəs maye fazalı aşındırma səmərəlilik, məhsul keyfiyyəti və sənaye miqyaslılığının nadir bir kombinasiyasını təklif edir.
Ən əhəmiyyətli üstünlüklərindən biri yüksək aşındırma məhsuldarlığıdır. Optimallaşdırılmış emal şəraitində ultrasəs kavitasiyası qrafen təbəqələrini qrafitdən olduqca yüksək səmərəliliklə ayıra bilər və tez-tez əsasən tək qatlı material əldə edir. Bu, yalnız minimal miqdarda istifadəyə yararlı qrafen istehsal edən mexaniki aşındırma ilə müqayisədə əhəmiyyətli dərəcədə irəliləyişdir.
Vahidlik digər həlledici amildir. Kavitasiya prosesi diqqətlə idarə oluna bildiyindən, nəticədə əmələ gələn qrafen təbəqələri sabit qalınlıq və morfologiya nümayiş etdirməyə meyllidir. Bu təkrarlanma materialın tutarlılığının məhsulun performansına birbaşa təsir etdiyi sənaye tətbiqləri üçün vacibdir.
Miqyaslanma qabiliyyəti ultrasəs emalını daha da fərqləndirir. Laboratoriya stəkanında işləyən şey pilot miqyasına və nəticədə sənaye daxili istehsalına keçirilə bilər. Davamlı ultrasəs axın reaktorları, böyük həcmdə qrafit dispersiyasının nəzarətli və təkrarlana bilən şəraitdə emal olunmasına imkan verir və bu da texnologiyanı kommersiya baxımından sərfəli edir.
Proses nəzarəti daha bir elastiklik qatı əlavə edir. Amplituda, ultrasəs güc girişi, təzyiq, temperatur və qalma müddəti kimi parametrlər dəqiq şəkildə tənzimlənə bilər. Bu, istehsalçılara təkrar istehsal qabiliyyətini qoruyarkən qrafen xüsusiyyətlərini müəyyən tətbiq tələblərinə uyğunlaşdırmağa imkan verir.
Nəhayət, ultrasəs maye fazalı aşındırma daha dayanıqlı həlledici sistemlərdən istifadə etməklə həyata keçirilə bilər. Formulasiyadan və hədəf tətbiqindən asılı olaraq, güclü oksidləşdirici kimyəvi yollarla müqayisədə ekoloji və tənzimləyici üstünlüklər təklif edən etanol əsaslı sistemlər, ion mayeləri və ya hətta sulu mühitlərdən istifadə edilə bilər.
Niyə Hielscher Probe Sonicatorları Qrafen Aşındırılması üçün İdealdır
Hielscher Ultrasonics, qrafen emalı üçün xüsusi olaraq uyğun olan tam bir texnologiya platforması təqdim edir.
Əsas üstünlüklərə aşağıdakılar daxildir:
- zond tipli ultrasəs (vanna ultrasəsindən daha səmərəli)
- əl və masaüstü sistemlərdən sənaye 24/7 reaktorlarına qədər miqyaslana bilən
- amplituda, güc və təzyiq üzərində dəqiq nəzarət
- Davamlı işləmə üçün möhkəm, sənaye səviyyəli konstruksiya
Toplu və Daxili Emal: Laboratoriyadan Zavoda
Hielscher sistemləri həm toplu, həm də daxili emalı dəstəkləyir və tədqiqatdan istehsala sorunsuz keçidi təmin edir.
Toplu ultrasəs texnologiyasının tətbiqi asandır və xüsusilə laboratoriya tədqiqatları, formulasiya inkişafı və kiçik miqyaslı qrafen istehsalı üçün uyğundur. Bu texnologiya çeviklik və sürətli parametr optimallaşdırması təklif edir və bu da onu erkən mərhələdə proses inkişafı zamanı ideal hala gətirir.
Lakin, sənaye miqyaslı istehsal üçün adətən daxili emal üstünlük təşkil edir. Bu konfiqurasiyada qrafit dispersiyası ultrasəs axın hüceyrəsi reaktoru vasitəsilə davamlı olaraq pompalanır. Bu, kavitasiya qüvvələrinə vahid məruz qalmağı təmin edir və nəticədə ardıcıl aşındırma keyfiyyəti və yüksək məhsuldarlıq əldə edilir. Təzyiqli reaktorlarla birləşdirildikdə, kavitasiya intensivliyi daha da artırıla bilər və aşındırma səmərəliliyi və məhsuldarlığı artırıla bilər.
Hielscher sistemlərinin modul dizaynı şirkətlərə əsas texnologiya platformasını dəyişdirmədən bench miqyaslı təcrübələrlə başlamağa və tam davamlı, 24/7 sənaye istehsalına qədər genişlənməyə imkan verir.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal qabiliyyətinin göstəricisini verir:
| Partiya Həcmi | Axın | Tövsiyə olunan Cihazlar |
|---|---|---|
| 0,5 - 1,5 ml | na | VialTweeter |
| 1 ilə 500 ml | 10-200 ml/dəq | UP100H |
| 10 ilə 2000 ml | 20 - 400 ml/dəq | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2 ilə 4L/dəq | UIP2000hdT |
| 10-100 l | 2 ilə 10 L / dəq | UIP4000hdT |
| 15-150 l | 3 ilə 15 L/dəq | UIP6000hdT |
| na | 10-100 l/dəq | UIP16000hdT |
| na | daha böyük | klaster UIP16000hdT |
Qrafendən kənarda: 2D materiallar üçün ultrasəs (“xenes”)
Ultrasonik aşındırma yalnız qrafenlə məhdudlaşmır.
Həmçinin, qrafenin tək qatlı 2D analoqları olan ksenlərin istehsalında geniş istifadə olunur, o cümlədən:
- Borofen (və borofen nanolentləri / borofen oksidi)
- MXenlər (2D keçid metal karbidləri, nitridlər, karbonitridlər)
- Bizmuten (elektrokataliz və biouyğunluqla tanınır)
- Silisium (qrafenə bənzər 2D silikon)
Eyni kavitasiya mexanizmi ultrasəsi bir çox laylı 2D materiallar üçün ən genişlənən marşrutlardan birinə çevirir.
Sonicator UIP2000hdT 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 soruşulan suallar
Qrafeni bu qədər unikal edən nədir?
Qrafen tez-tez məlum olan ən nazik və ən möhkəm material kimi təsvir olunur. Lakin onun əsl dəyəri atom quruluşunun fövqəladə performansa çevrilməsindədir.
- Həddindən artıq mexaniki möhkəmlik
Qrafenin dartılma möhkəmliyinin poladdan 200 dəfəyə qədər daha güclü olduğu təxmin edilir. Bu, onu yüngül, yüksək möhkəmlikli materiallar üçün ideal namizədə çevirir - xüsusən də qram başına məhsuldarlığın vacib olduğu sənaye sahələrində. - Görkəmli Elektrik Keçiriciliyi
Qrafen elektrik cərəyanını misdən daha yaxşı keçirir. Bu, çevik dövrələr və ultra nazik komponentlər də daxil olmaqla daha sürətli, daha kiçik və daha səmərəli elektronikaya qapı açır. - Üstün İstilik Keçiriciliyi
Qrafen istiliyi olduqca yaxşı keçirir - hətta almazdan da yaxşıdır. Bu, onu elektronikada, istilik idarəetmə sistemlərində və qabaqcıl enerji cihazlarında istilik yayılması üçün çox dəyərli edir. - Yüksək Optik Şəffaflıq
Qrafen möhkəmliyinə və keçiriciliyinə baxmayaraq, demək olar ki, şəffafdır. Bu, onu şəffaf keçirici filmlər, optik komponentlər və qabaqcıl ekran texnologiyaları üçün uyğun edir.
Niyə Qrafen a “Platforma Materialı” Bir çox Sənaye Üçün?
Qrafen mexaniki möhkəmliyi, elektrik keçiriciliyini, istilik performansını və optik şəffaflığı unikal şəkildə birləşdirdiyindən, tək bir sahə ilə məhdudlaşmır. Əksinə, bütün texnologiya sektorlarını təkmilləşdirə bilən platforma materialı kimi xidmət edir.
- Elektronikada qrafen ultra nazik, çevik və yüksək performanslı komponentlərin hazırlanmasına imkan verir. Tədqiqatçılar onun yeni nəsil tranzistorlara, şəffaf keçirici filmlərə, günəş batareyalarına və işıq saçan cihazlara inteqrasiyasını araşdırırlar. Onun müstəsna yük daşıyıcılarının hərəkətliliyi onu miniatürləşdirilmiş və yüksək sürətli elektron sistemlər üçün xüsusilə cəlbedici edir.
- Enerji saxlama sahəsində qrafenin yüksək elektrik keçiriciliyi və istilik stabilliyi batareya və superkondensatorun performansının yaxşılaşmasına kömək edir. Qrafen ehtiva edən cihazlar daha yüksək enerji sıxlığı, daha sürətli doldurma sürəti və təkmilləşdirilmiş dövr stabilliyi nümayiş etdirə bilər. – elektrik mobilliyi və bərpa olunan enerji sistemləri üçün kritik parametrlər.
- Qrafen həmçinin kompozit materialları əhəmiyyətli dərəcədə gücləndirir. Polimerlərə, metallara və ya keramikaya daxil edildikdə, hətta az miqdarda 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 tənzimlənən səth kimyası və biouyğunluğu onun dərman çatdırılma sistemlərində, biosensorlarda və toxuma mühəndisliyi iskelelərində istifadəsinə imkan verir. Bu xüsusiyyətlər qabaqcıl diaqnostik və terapevtik texnologiyalar üçün yollar açır.
Hielscher Ultrasonics yüksək performanslı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir laboratoriya üçün sənaye ölçüsü.