Suda dispersləşə bilən qrafenin ultrasəslə eksfoliasiyası
- Birqatlı və ikiqatlı qrafen nanotəbəqələri ultrasəslə eksfoliasiya vasitəsilə yüksək məhsuldarlıqla və aşağı xərclə sürətlə istehsal edilə bilər.
- Suda dispersləşə bilən qrafen əldə etmək üçün ultrasəslə eksfoliasiya edilmiş qrafen biopolimerlərlə funksionallaşdırıla bilər.
- Ultrasəs kavitasiyası vasitəsilə sintez edilmiş qrafen əlavə emal olunaraq sabit su əsaslı dispersiyaya çevrilə bilər.
Yüksək keyfiyyətli qrafenin ultrasəslə eksfoliasiyası
Ultrasəslə emal qrafit pulcuqlarından və ya hissəciklərindən qrafen təbəqələri (birqatlı, ikiqatlı və azqatlı qrafen) istehsal etmək üçün etibarlı üsuldur. Kürəli və vallı dəyirmanlar və ya yüksək kəsilmə qüvvəli qarışdırıcılar kimi digər geniş yayılmış eksfoliasiya üsulları aşağı keyfiyyət və aqressiv reagentlərdən və həlledicilərdən istifadə ilə əlaqəli olduğu halda, ultrasəslə eksfoliasiya üsulu yüksək keyfiyyətli məhsulu, yüksək emal gücü və mülayim emal şəraiti ilə üstünlük qazanır.
Ultrasəs kavitasiyası üst-üstə yığılmış qrafit təbəqələrini qüsursuz qrafenin birqatlı, ikiqatlı və azqatlı təbəqələrinə ayıran güclü kəsilmə qüvvələri yaradır.
Ultrasəslə emal vasitəsilə suda dispersləşə bilən qrafen təbəqələri
Ultrasəslə emal suda və ya üzvi həlledicilərdə karbon nanoborucuqlarının dolaşıqlarını açmaq üçün təkrarlana bilən nəticələr verən effektiv prosedurdur.[/caption]Normal şəraitdə qrafen suda çətin dispersləşir və sulu mühitdə dispersləşdirildikdə aqreqatlar və aqlomeratlar əmələ gətirir. Sulu sistemlərin ucuz, toksik olmayan və ekoloji cəhətdən əlverişli olması kimi əhəmiyyətli üstünlükləri olduğundan, su əsaslı qrafen sistemləri qrafen istehsalçıları və onu sonrakı mərhələlərdə emal edən sənaye üçün olduqca cəlbedicidir.
Suda dispersləşə bilən qrafen nanotəbəqələri əldə etmək üçün ultrasəslə eksfoliasiya edilmiş qrafen pullulan, xitozan, alginat, jelatin və ya ərəb saqqızı kimi polisaxaridlər / biopolimerlərlə modifikasiya edilir.
- yüksək keyfiyyətli qrafen
- yüksək məhsul çıxımı
- su əsaslı dispersiya
- yüksək konsentrasiya
- yüksək səmərəlilik
- sürətli proses
- aşağı xərc
- yüksək emal məhsuldarlığı
- ekoloji cəhətdən əlverişli
Qrafenin sənaye miqyasında eksfoliasiyası üçün zond tipli ultrasəs cihazları ilə təchiz edilmiş ultrasəs reaktoru
Ultrasəsdən istifadə etməklə qrafitin birbaşa eksfoliasiyası protokolu
Qeyri-ion pullulan və anion alginat (1,0 g) ayrı-ayrılıqda 20 ml distillə edilmiş suda həll edildi, kation xitozan (0,4 g) isə 1 wt% sirkə turşusu olan 20 ml distillə edilmiş suda həll edildi. Qrafit tozu biopolimerlərin sulu məhlullarında dispersləşdirildi və titan sonotrodla (S3 mikro ucluq, ucluğun diametri 3 mm, maksimum amplituda 210µm, akustik güc sıxlığı və ya səth intensivliyi 460 W cm-2) təchiz edilmiş UP200S zond tipli ultrasəs cihazından (maksimum güc 200 W, tezlik 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Almaniya) istifadə edilməklə aşağıdakı şəraitdə emal edildi: 0,5 dövr və 50% amplituda, müvafiq olaraq 10, 20, 30 və 60 min müddətində. Ən yaxşı nəticələr 30min ultrasəs emalında əldə edildi. Ultrasəslə emal 30 dəqiqə ərzində 16,25 W gücdə tətbiq edildi və enerji sərfi (vahid həcmə düşən enerji çıxışı) 731 Ws ml-1 təşkil etdi.
Daha sonra qarışıqlar eksfoliasiya edilməmiş qrafit hissəciklərini kənarlaşdırmaq üçün 1500 rpm sürətlə 60 min sentrifuqalandı, sonra 5 dəfə yuyuldu və artıq biopolimerləri kənarlaşdırmaq üçün yenidən 5000 rpm sürətlə 20 min sentrifuqalandı. Alınmış tünd boz məhlullar kütlə itkisi dayanana qədər 40ºC temperaturda vakuumda quruduldu. Alınmış polimer–qrafen tozları xarakteristikalarının müəyyənləşdirilməsi üçün suda yenidən dispersləşdirildi (pullulan və xitozan üçün 1 mg ml-1; alginat üçün 0,18 mg ml-1). Pullulan, alginat və xitozanın köməyi ilə ultrasəslə emal nəticəsində əldə edilmiş qrafen təbəqələri müvafiq olaraq pull-G, alg-G və chit-G kimi işarələndi.
Üç sistem arasında pullulan və xitozan qrafitin eksfoliasiyasında alginatdan daha effektiv oldu. Bu üsulla yalnız az miqdarda yan (kənar) qüsurları olan eksfoliasiya edilmiş birqatlı, ikiqatlı və azqatlı qrafen təbəqələri əldə edildi. Biopolimerlərin qrafen səthində adsorbsiyası sulu dispersiyanın uzunmüddətli sabitliyini (6 aydan çox) təmin edir.
(müq. Unalan et al. 2015)
Suda qrafit pulcuğunun sonomexaniki eksfoliasiyasını göstərən kadrların yüksək sürətli ardıcıllığı (a-dan f-ə qədər) – eksfoliasiya 3-mm sonotrodlu 200W ultrasəs cihazı olan UP200S vasitəsilə aparılır. Oxlar kavitasiya qabarcıqlarının yarığa daxil olduğu parçalanma (eksfoliasiya) yerini göstərir.
(tədqiqat və şəkillər: © Tyurnina et al. 2020
Pull-G-nin TEM təsvirləri: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) 30 min üçün chit-G; (f) 30 min üçün alg-G. (Unalan et al. 2015)
Qrafenin eksfoliasiyası üçün ultrasəs cihazları
Hielscher yüksək güclü ultrasəs prosessorları qrafit və qrafenin uğurlu eksfoliasiyası və dispersləşdirilməsi üçün bütün dünyada istifadə olunur. Ultrasəs dispersləşdiricilərimiz laboratoriya və masaüstü cihazlardan tam sənaye istehsalı qurğularına qədər müxtəlif ölçülərdə mövcuddur. Möhkəmlik, 24/7 işləmə və az texniki xidmət tələbi ilə yanaşı, Hielscher ultrasəs cihazları emalın çox asan olması və xətti miqyaslandırma imkanı ilə üstünlük qazanır.
Proseslər laboratoriyada asanlıqla sınaqdan keçirilə və optimallaşdırıla bilər. Bundan sonra bütün proses nəticələri tam xətti şəkildə kommersiya istehsalı səviyyəsinə miqyaslandırıla bilər. Bu, ultrasəslə emalı yüksək keyfiyyətli qrafen təbəqələrinin böyük həcmdə istehsalı üçün effektiv və səmərəli üsula çevirir.
Hielscher Ultrasonics sənaye ultrasəs prosessorları çox yüksək amplitudalar təmin edə bilər. 200µm-ə qədər amplitudalar 24/7 iş rejimində asanlıqla fasiləsiz tətbiq edilə bilər. Daha yüksək amplitudalar üçün xüsusi hazırlanmış ultrasəs sonotrodları mövcuddur. Uyğun ultrasəs reaktorları yüksək keyfiyyətli qrafen nanotəbəqələrinin, eləcə də sabit nanotəbəqə dispersiyalarının etibarlı və təhlükəsiz kütləvi istehsalı imkanını təmin edir.
Hielscher ultrasəs avadanlığının möhkəmliyi ağır iş rejimində və tələbkar mühitlərdə 24/7 işləməyə imkan verir.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü barədə məlumat verir:
| Partiyanın həcmi | Axın sürəti | Tövsiyə olunan cihazlar |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha yüksək | cihazlar qrupu: UIP16000 |
Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizə sual verin!
2D nanotəbəqələrin ultrasəslə eksfoliasiya mexanizmi.
(tədqiqat və qrafik: Tyurnina et al., 2020)
Bilməyə dəyər faktlar
Qrafen
Qrafen sp2-rabitəli karbon atomlarının birqatlı təbəqəsidir. Qrafen qeyri-adi dərəcədə böyük xüsusi səth sahəsi (2620 m2 g-1), 1 TPa Yunq modulu və 130 GPa daxili möhkəmliklə üstün mexaniki xassələr, son dərəcə yüksək elektrik keçiriciliyi (otaq temperaturunda elektron hərəkətliliyi 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), çox yüksək istilik keçiriciliyi (3000 W m K-1 göstəricisindən yuxarı) kimi unikal material xassələrinə malikdir; bunlar onun ən mühüm xassələridir. Üstün material xassələrinə görə qrafen yüksək məhsuldarlıqlı batareyaların, yanacaq elementlərinin, günəş elementlərinin, superkondensatorların, hidrogen saxlama sistemlərinin, elektromaqnit ekranların və elektron cihazların hazırlanmasında və istehsalında geniş istifadə olunur. Bundan əlavə, qrafen bir çox nanokompozitə və kompozit materiala, məsələn, polimerlərə, keramikaya və metal matrislərə möhkəmləndirici əlavə kimi daxil edilir. Yüksək keçiriciliyinə görə qrafen keçirici boyaların və mürəkkəblərin mühüm komponentidir.
Qüsursuz qrafenin ultrasəslə sürətli və təhlükəsiz hazırlanması böyük həcmlərdə və aşağı xərclərlə həyata keçirildikdə, qrafenin tətbiq sahələrinin getdikcə daha çox sənaye sahəsini əhatə etməsinə imkan verir.
Ədəbiyyat/İstinadlar
- 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 Ultrasonics yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir: laboratoriya ölçüsündən başlayaraq sənaye ölçüsünədək.