Ексфолиране на графен на водна основа
Ултразвуковото ексфолиране позволява да се произвежда многослоен графен без използване на агресивни разтворители, като се използва само чиста вода. Високомощната ултразвук разслоява графеновите листове за кратка обработка. Избягването на разтворители превръща ексфолирането на графена в екологичен, устойчив процес.
Производство на графен чрез ексфолиране в течна фаза
Графенът се произвежда в търговската мрежа чрез така нареченото ексфолиране в течна фаза. Ексфолирането на графен в течна фаза изисква използването на токсични, вредни за околната среда и скъпи разтворители, които се използват като химическа предварителна обработка или в комбинация към/с механична дисперсионна техника. За механична дисперсия на графеновите листове ултразвукът е утвърден като високонадеждна, ефективна и безопасна техника за производство на висококачествени графенови листове в големи количества на напълно индустриално ниво. Тъй като използването на агресивни разтворители винаги е придружено от разходи, замърсяване, сложно отстраняване и изхвърляне, опасения за безопасността, както и тежест върху околната среда, нетоксичната и по-безопасна алтернатива е значително изгодна. Следователно ексфолирането на графен с помощта на вода като разтворител и мощен ултразвук за механично разслояване на няколко слоя графенови листове е много обещаваща техника за производство на зелен графен.
Често срещаните разтворители, които често се използват като течна фаза за диспергиране на графенови нанолистове, включват диметилсулфоксид (DMSO), N,N-диметилформамид (DMF), N-метил-2-пиролидон (NMP), тетраметилурирея (TMU), тетрахидрофуран (THF), пропилен карбонатацетон (PC), етанол и формамид.
Като вече дългосрочно утвърдена техника за ексфолиране на графен в търговски мащаб, ултразвукът позволява да се произвежда висококачествен графен с висока чистота на ниска цена. Тъй като ултразвуковото ексфолиране на графен може да бъде напълно линейно мащабирано до всеки обем, производственият добив на висококачествени графенови люспи може лесно да се приложи за масово производство на графен.
UIP2000hdT е мощен ултразвуков диспергатор с мощност 2 kW за ексфолиране и дисперсия на графен.
Ултразвуково ексфолиране на графен във вода
Tyurnina et al. (2020) изследва ефектите от амплитудата и интензивността на ултразвука върху чисти водно-графитни разтвори и полученото графеново ексфолиране. В проучването те са използвали Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ултразвуковото ексфолиране с помощта на вода се прилага като едноетапен процес за разслояване на графен в няколко слоя. Кратка обработка от 2 часа е достатъчна, за да се получи няколко слоя графен в отворена звукова инсталация с чаша.
Високоскоростна последователност (от a до f) кадри, илюстриращи сономеханично ексфолиране на графитни люспи във вода с помощта на UP200s, 24 kHz ултразвуков сигнал с 3-милиметров сонотрод. Стрелките показват мястото на разцепване (ексфолиране) с кавитационни мехурчета, проникващи в разцепването.
© Tyurnina et al., 2020
Оптимизиране на ултразвуковото ексфолиране на графен
Ултразвуковата настройка, използвана от Tyurnina et al. (2020), може лесно да бъде оптимизирана за по-голяма ефективност и по-бързо ексфолиране чрез използване на затворен ултразвуков реактор в проточен режим. Ултразвуковата поточна обработка позволява значително по-равномерна ултразвукова обработка на цялата графитна суровина: подавайки графитния / водния разтвор директно в затвореното пространство на ултразвуковата кавитация, целият графит става равномерно ултразвуков, което води до висок добив на висококачествени графенови люспи.
Ултразвуковите системи на Hielscher позволяват прецизен контрол върху всички важни параметри на обработката като амплитуда, време/задържане, входяща енергия (Ws/ml), налягане и температура. Задаването на оптимални ултразвукови параметри води до най-висок добив, качество и цялостна ефективност.
Как ултразвукът насърчава ексфолирането на графена
Когато ултразвуковите вълни с висока мощност са свързани в каша от графитен прах и вода или друг разтворител, сономеханичните сили като силно срязване, интензивни турбуленции и високи разлики в налягането и температурата създават енергийно интензивни условия. Тези енергийно интензивни условия са резултат от явлението акустична кавитация.
Прочетете повече за ултразвуковата кавитация тук!
Мощният ултразвук инициира разширяването на графитния прах, тъй като течностите се притискат между графеновите слоеве, от които е съставен графитът. Ултразвуковите сили на срязване разслояват отделните листове графен и ги разпръскват като графенови люспи в разтвора. За да се получи дългосрочна стабилност на графена във вода, е необходимо повърхностно активно вещество.
Механизъм на ултразвуково ексфолиране в течна фаза на ексфолиране на графен.
Проучване и снимка от Tyurnina et al., 2021.
Високоефективни ултразвукови апарати за ексфолиране на графен
Интелигентните функции на ултразвуковите апарати Hielscher са проектирани да гарантират надеждна работа, възпроизводими резултати и удобство за потребителя. Работните настройки могат лесно да бъдат достъпни и набрани чрез интуитивно меню, което може да бъде достъпно чрез цифров цветен сензорен дисплей и дистанционно управление на браузъра. Следователно всички условия на обработка като нетна енергия, обща енергия, амплитуда, време, налягане и температура се записват автоматично на вградена SD-карта. Това ви позволява да преразгледате и сравните предишни серии на ултразвук и да оптимизирате процеса на ексфолиране на графен до най-висока ефективност.
Ултразвуковите системи на Hielscher се използват по целия свят за производството на висококачествени графенови листове и графенови оксиди. Индустриалните ултразвукови апарати Hielscher могат лесно да работят с високи амплитуди при непрекъсната работа (24/7/365). Амплитуди до 200 μm могат лесно да се генерират непрекъснато със стандартни сонотроди (ултразвукови сонди / рогове и каскатродиТМ). За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. Поради своята здравина и ниска поддръжка, нашите ултразвукови ексфолиращи системи обикновено се инсталират за тежки приложения и в взискателни среди.
Ултразвуковите процесори на Hielscher за ексфолиране на графен вече са инсталирани в цял свят в търговски мащаб. Свържете се с нас сега, за да обсъдим вашия процес на производство на графен! Нашият опитен персонал ще се радва да сподели повече информация за процеса на ексфолиране, ултразвуковите системи и цените!
За да научите повече за ултразвуковия графен синтез, дисперсия и функционализация, моля кликнете тук:
- Производство на графен
- Графенови нанопластинки
- Ексфолиране на графен на водна основа
- Водно-диспергиращ се графен
- графенов оксид
- Ксени
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Hielscher Ultrasonics произвежда високоефективни ултразвукови хомогенизатори за смесване, дисперсия, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и индустриален мащаб.
Литература / Препратки
- 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.
Факти, които си струва да знаете
Какво е графен?
Графенът е монослой от sp2-свързани въглеродни атоми. Графенът предлага уникални характеристики на материала, като изключително голяма специфична повърхност (2620 m)2g-1), превъзходни механични свойства с модул на Йънг от 1 TPa и вътрешна якост от 130 GPa, изключително висока електронна проводимост (подвижност на електроните при стайна температура от 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), много висока топлопроводимост (над 3000 W m K-1), за да назовем най-важните свойства. Поради превъзходните си свойства на материала, графенът се използва широко при разработването и производството на високопроизводителни батерии, горивни клетки, слънчеви клетки, суперкондензатори, водородни хранилища, електромагнитни екрани и електронни устройства. Освен това графенът е включен в много нанокомпозити и композитни материали като подсилваща добавка, например в полимери, керамика и метални матрици. Поради високата си проводимост, графенът е важен компонент на проводимите бои и мастила.
Бързото и безопасно ултразвуково приготвяне на бездефектен графен в големи обеми при ниски разходи позволява разширяване на приложенията на графена във все повече индустрии.
Графенът е слой въглерод с дебелина един атом, който може да бъде описан като еднослойна или 2D структура на графен (еднослоен графен = SLG). Графенът има изключително голяма специфична повърхност и превъзходни механични свойства (модул на Йънг от 1 TPa и вътрешна якост от 130 GPa), предлага голяма електронна и топлопроводимост, подвижност на носителя на заряд, прозрачност и е непропусклив за газове. Поради тези характеристики на материала, графенът се използва като подсилваща добавка, за да придаде на композитите неговата здравина, проводимост и др. За да се комбинират характеристиките на графена с други материали, графенът трябва да се диспергира в съединението или да се нанася като тънкослойно покритие върху субстрат.
Високоефективна ултразвук! Продуктовата гама на Hielscher обхваща пълния спектър от компактен лабораторен ултразвуков апарат до настолни ултразвукови системи до напълно индустриални ултразвукови системи.