Ексфолиация на графена на водна основа
Ултразвуковото ексфолиране позволява да се произвеждат няколкослойни графена без използването на тежки разтворители, използващи само чиста вода. Високомощна ултразвукова обработка разслаби графенови листове в рамките на кратко лечение. Избягването на разтворители превръща ексфолиацията на графена в зелен, устойчив процес.
Графен производство чрез ексфолиране на течна фаза
Графенът се произвежда в търговската си част чрез така нареченото ексфолиране на течна фаза. Ексфолирането на графен в течна фаза изисква използването на токсични, вредни за околната среда и скъпи разтворители, които се използват като химична предварителна обработка или в комбинация с /с техника на механична дисперсия. За механична дисперсия на графеновите листове, ultrasonication е създадена като високо надеждна, ефективна и безопасна техника за производство на висококачествени графен листове в големи количества на напълно промишлено ниво. Тъй като използването на тежки разтворители винаги е съпроводено с разходи, замърсяване, отстраняване и отстраняване на комплекса, опасения за безопасността, както и с екологична тежест, нетоксичен и по-безопасна алтернатива е значително изгодна. Ексфолирането на графена, като се използва вода като ултразвук с разтворител и мощност за механично разслояване на няколко слоя графен листове е следователно много обещаваща техника за производство на зелен графен.
Общи разтворители, които често се използват като течна фаза да диспергират графен наноши, включват диметилсулфоксид (DMSO), N,N-диметилформамид (ДМФ), N-метил-2-пиролидон (NMP), Теметилтрауререй (ТМУ), тетрахидрофуран (THF), пропилен карбонацетоцетон (PC), етанол и формамид.
Като вече дългосрочна, установена техника за ексфолиране на графен в търговски мащаб, ultrasonication дава възможност да се произвеждат висококачествени 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 2kW мощен ултразвуков разпръсквач за ексфолиране и дисперсия на графен.
Ултразвукова ексфолиация на графен във вода
Tyurnina et al. (2020) изследва ефектите на амплитудата и интензивността на ултразвук върху чисти водно-графитни разтвори и получената ексфолиация на графен. В проучването те са използвали Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ултразвукова ексфолиация с помощта на вода се прилага като една стъпка процес за няколко слоя графен разслояване. Кратко лечение на 2h е достатъчно, за да се получи няколко слоя графен в отворена чаша ултразвук настройка.
Високоскоростна последователност (от a до f) от рамки, илюстриращи соно-механично ексфолиране на графитна люспа във вода използване на UP200s, 24 kHz ultrasonicator с 3-мм издатина. Стрелките показват мястото на разделяне (ексфолиране) с кавитационни мехурчета, проникващи в разделянето.
© Тюрнина и др., 2020
Оптимизиране на ултразвукова графенова ексфолиация
Ултразвуковата настройка, използвана от Tyurnina et al. (2020) може лесно да бъде оптимизирана за по-голяма ефективност и по-бързо ексфолиране чрез затворен ултразвуков реактор в режим на поток. Ултразвуковата инлайн обработка позволява значително по-равномерно ултразвуково третиране на всички графитни суровини: хранене на графит / вода разтвор директно в затвореното пространство на ултразвукова кавитация, всички графит става равномерно ултразвукова, което води до висок добив на висококачествени графенови люспи.
Hielscher Ultrasonics системи позволяват прецизен контрол върху всички важни параметри на обработка като амплитуда, време / задържане, енергия вход (Ws / mL), налягане, и температура. Задаването на оптимални ултразвукови параметри води до най-висок добив, качество и цялостна ефективност.
Как ultrasonication насърчава графен ексфолиация
Когато ултразвуковите вълни с висока мощност са съчетани в суспензия от графит на прах и вода или разтворител, сономическите сили като високо срязване, интензивни турбуленции и диференциали с високо налягане и температура създават енергийно интензивни условия. Тези енергийно интензивни условия са резултат от явлението акустична кавитация.
Прочетете повече за ултразвукова кавитация тук!
Мощният ултразвук инициира разширяването на графита прах, тъй като се притискат флуиди между графеновите слоеве, от които се съставя графит. Ултразвуковите срязване силите на разлагат единичните листове графен и ги диспергират като графенови люспи в разтвора. За да се постигне дългосрочна стабилност на графена във вода, се изисква повърхностноактивно вещество.
Мехнизъм на ултразвукова течна фаза ексфолиране на ексфолиране на графен.
Проучване и картина от Tyurnina et al., 2021.
Високоефективни ultrasonicators за ексфолиране на графен
Умните характеристики на ултразвуковите ултразвукови апарати Hielscher са предназначени да гарантират надеждна работа, възпроизводими резултати и удобство за ползване. Оперативните 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 вграден SD-карта. Това ви позволява да ревизирате и сравните предишни звукови работи и да оптимизирате процеса на ексфолиране на графен до най-висока ефективност.
Hielscher Ultrasonics системи се използват в световен мащаб за производството на висококачествени графенови листове и графенови оксиди. Hielscher промишлени ultrasonicators могат лесно да работят с високи амплитуди при непрекъсната работа (24/7/365). Амплитуди до 200μm могат лесно да се генерират непрекъснато със стандартни сонотроди (ултразвукови сонди / рога и .Tm). За още по-високи амплитуди са налични персонализирани ултразвукови сонотроди. Благодарение на тяхната здравина и ниска поддръжка, нашите ултразвукови системи за ексфолиране обикновено се инсталират за тежки приложения и в трудни среди.
Hielscher ултразвукови процесори за графен ексфолиране вече са инсталирани в световен мащаб в търговски мащаб. Свържете се с нас сега, за да обсъдим вашия производствен процес графен! Нашият опитен персонал ще се радва да сподели повече информация за процеса на ексфолиране, ултразвукови системи и ценообразуване!
Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators:
| Партида том | Дебит | Препоръчителни Devices |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200 ml / мин | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400 ml / мин | Uf200 ः т, UP400St |
| 00,1 до 20L | 00,2 до 4 л / мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л / мин | UIP4000hdT |
| п.а. | 10 до 100 L / мин | UIP16000 |
| п.а. | по-голям | струпване на UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитай ни!
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори за смесване на приложения, дисперсия, емулгиране и екстракция на лаборатория, пилот и промишлен мащаб.
Литература / Препратки
- 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 заслужава да се знае
Графенът
Графенът е монослой от SP2-bonded въглеродни атома. Графенът предлага уникален материал характеристики като извънредно голяма специфична повърхност (2620 m2г-1), Отличните механични свойства с модул на 1 ТРА на Янг и присъща сила от 130 GPa, изключително висока електронна проводимост (стайна температура електрон мобилността на 2,5 х 105 cm2 V-1с-1), Много висока топлопроводимост (над 3000 W m K-1), За да назовем най-важните свойства. Благодарение на отличните свойства на материала, графенът е силно използван в разработването и производството на висококачествени батерии за изпълнение, горивни клетки, слънчеви клетки, суперкондензатор, водородни складове, електромагнитни щитове и електронни устройства. Освен това, графен е включена в много нанокомпозити и композитни материали като подсилваща добавка, например в полимери, керамика и метални матрици. Поради високата проводимост, графен е важен компонент на електропроводими бои и мастила.
За бързо и безопасно ултразвукова получаване на дефекти графен при големи обеми от ниски разходи дава възможност за разширяване на приложенията на графена за все повече и повече индустрии.
Графенът е един атомен дебел слой от въглерод, който може да бъде описан като еднослойна или 2D структура на графен (еднослоен графен = SLG). Графенът има изключително голяма специфична повърхност и отлични механични свойства (модулът на Young от 1 TPa и вътрешната якост от 130 GPa), предлага отлична електронна и топлинна проводимост, мобилност на носителя на заряда, прозрачност и е непропусклива за газове. Поради тези свойства на материалите, графенът се използва като усилваща добавка, за да даде композитите своята здравина, проводимост и др. За да се комбинират характеристиките на графен с други материали, графенът трябва да се разпръсне в съединението или да се нанесе като тънкослойно покритие върху субстрат.
Високоефективни ултразвук! Продуктовата гама на Hielscher покрива пълния спектър от компактния лабораторен ултразвуков ултразвук над пейка-топ единици до пълно-промишлени ултразвукови системи.