Ексфолиране на графен във водна среда
Ултразвуковото ексфолиране позволява получаването на графен с малък брой слоеве без използване на агресивни разтворители, само с чиста вода. Ултразвуковата обработка с висока мощност разслоява графеновите листове за кратко време. Избягването на разтворители превръща ексфолирането на графен в екологичен и устойчив процес.
Производство на графен чрез ексфолиране в течна фаза
Графенът се произвежда в търговски мащаб чрез т.нар. ексфолиране в течна фаза. Ексфолирането на графен в течна фаза изисква използването на токсични, вредни за околната среда и скъпи разтворители, които се използват за предварителна химична обработка или в комбинация с метод за механично диспергиране. За механичното диспергиране на графеновите листове ултразвуковата обработка се е утвърдила като изключително надежден, ефективен и безопасен метод за получаване на висококачествени графенови листове в големи количества в пълен промишлен мащаб. Тъй като използването на агресивни разтворители винаги е свързано с разходи, замърсяване, сложно отстраняване и обезвреждане, опасения за безопасността и натоварване на околната среда, една нетоксична и по-безопасна алтернатива предлага значителни предимства. Затова ексфолирането на графен с използване на вода като разтворител и мощен ултразвук за механично разслояване на графенови листове с малък брой слоеве е многообещаващ метод за екологично производство на графен.
Често използваните разтворители като течна фаза за диспергиране на графенови нанолистове включват диметилсулфоксид (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), тетраметилурея (TMU), тетрахидрофуран (THF), пропилен карбонатацетон (PC), етанол и формамид.
Като отдавна утвърден метод за ексфолиране на графен в търговски мащаб, ултразвуковата обработка позволява получаването на висококачествен графен с висока чистота при ниски разходи. Тъй като ултразвуковото ексфолиране на графен може да се мащабира напълно линейно до всеки обем, получаването на висококачествени графенови люспи може лесно да се приложи за масово производство на графен.
UIP2000hdT е мощен ултразвуков диспергатор с мощност 2kW за ексфолиране и диспергиране на графен.
Ултразвуково ексфолиране на графен във вода
Tyurnina et al. (2020) изследват влиянието на амплитудата и интензитета на ултразвуковата обработка върху разтвори на графит в чиста вода и произтичащото ексфолиране на графен. В изследването те използват Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ултразвуковото ексфолиране с вода е приложено като едноетапен процес за разслояване на графен с малък брой слоеве. Кратка обработка от 2h е достатъчна за получаването на графен с малък брой слоеве в установка за ултразвукова обработка с отворена лабораторна чаша.
Високоскоростна поредица от кадри (от a до f), илюстрираща сономеханично ексфолиране на графитна люспа във вода с използване на UP200s, ултразвуков апарат с честота 24 kHz и сонотрод с диаметър 3-mm. Стрелките показват мястото на разцепване (ексфолиране), като кавитационни мехурчета проникват в образуваната цепнатина.
© Tyurnina et al., 2020
Оптимизиране на ултразвуковото ексфолиране на графен
Ултразвуковата установка, използвана от Tyurnina et al. (2020), може лесно да се оптимизира за по-висока ефективност и по-бързо ексфолиране чрез използване на затворен ултразвуков реактор в проточен режим. Ултразвуковата обработка в потока позволява значително по-равномерна ултразвукова обработка на цялата графитна суровина: чрез подаване на разтвора графит / вода директно в ограниченото пространство на ултразвуковата кавитация целият графит се подлага на равномерна ултразвукова обработка, което води до висок добив на висококачествени графенови люспи.
Системите на Hielscher Ultrasonics позволяват прецизен контрол върху всички важни параметри на обработката, като амплитуда, време / време на престой, вложена енергия (Ws/mL), налягане и температура. Задаването на оптималните ултразвукови параметри води до най-висок добив, качество и обща ефективност.
Как ултразвуковата обработка подпомага ексфолирането на графен
Когато ултразвукови вълни с висока мощност се предават в суспензия от графитен прах и вода или друг разтворител, сономеханичните сили, като силно срязване, интензивна турбулентност и големи разлики в налягането и температурата, създават високоенергийни условия. Тези високоенергийни условия са резултат от явлението акустична кавитация.
Прочетете повече за ултразвуковата кавитация тук!
Мощният ултразвук предизвиква набъбване на графитния прах, тъй като течностите се вкарват под налягане между графеновите слоеве, от които е съставен графитът. Ултразвуковите сили на срязване отделят единичните графенови листове и ги диспергират като графенови люспи в разтвора. За постигане на дългосрочна стабилност на графена във вода е необходимо повърхностноактивно вещество.
Механизъм на ултразвуковото ексфолиране на графен в течна фаза.
Изследване и изображение от Tyurnina et al., 2021.
Високопроизводителни ултразвукови апарати за ексфолиране на графен
Интелигентните функции на ултразвуковите апарати Hielscher са проектирани да гарантират надеждна работа, възпроизводими резултати и удобство при употреба. Работните настройки са лесно достъпни и могат да се задават чрез интуитивно меню, достъпно през цифров цветен сензорен дисплей и чрез дистанционно управление през браузър. Така всички условия на обработката, като нетна енергия, обща енергия, амплитуда, време, налягане и температура, се записват автоматично върху вградена SD карта. Това ви позволява да преглеждате и сравнявате предишни цикли на ултразвукова обработка и да оптимизирате процеса на ексфолиране на графен за постигане на най-висока ефективност.
Системите на Hielscher Ultrasonics се използват по целия свят за производство на висококачествени графенови листове и графенови оксиди. Промишлените ултразвукови апарати Hielscher могат лесно да работят с високи амплитуди в непрекъснат режим (24/7/365). Амплитуди до 200µm могат лесно да се генерират непрекъснато със стандартни сонотроди (ултразвукови сонди / рупори и CascatrodeTM). За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по индивидуални изисквания. Благодарение на своята здравина и ниските изисквания за поддръжка нашите системи за ултразвуково ексфолиране често се инсталират за приложения с тежко натоварване и в среда с високи изисквания.
Ултразвуковите процесори Hielscher за ексфолиране на графен вече са инсталирани по целия свят в търговски мащаб. Свържете се с нас сега, за да обсъдим вашия процес за производство на графен! Нашият екип с богат опит с удоволствие ще сподели повече информация за процеса на ексфолиране, ултразвуковите системи и цените!
За да научите повече за ултразвуковия синтез, диспергирането и функционализирането на графен, моля, щракнете тук:
- Производство на графен
- Графенови нанопластинки
- Ексфолиране на графен във водна среда
- Графен, диспергируем във вода
- Графенов оксид
- Ксени
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Hielscher Ultrasonics произвежда високопроизводителни ултразвукови хомогенизатори за приложения за смесване, диспергиране, емулгиране и екстракция в лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.
Литература / Източници
- 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.
Полезни факти
Какво представлява графенът?
Графенът е монослой от sp2-свързани въглеродни атоми. Графенът притежава уникални характеристики на материала, като изключително голяма специфична повърхност (2620 m2 g-1), превъзходни механични свойства с модул на Юнг 1 TPa и собствена якост 130 GPa, изключително висока електропроводимост (подвижност на електроните при стайна температура 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), много висока топлопроводимост (над 3000 W m K-1), ако посочим най-важните свойства. Благодарение на превъзходните си свойства като материал графенът се използва широко при разработването и производството на високопроизводителни батерии, горивни клетки, слънчеви клетки, суперкондензатори, системи за съхранение на водород, електромагнитни екрани и електронни устройства. Освен това графенът се включва в много нанокомпозити и композитни материали като армираща добавка, например в полимери, керамика и метални матрици. Поради високата си проводимост графенът е важен компонент на проводими бои и мастила.
Бързото и безопасно ултразвуково получаване на графен без дефекти в големи обеми при ниски разходи позволява разширяване на приложенията на графена във все повече отрасли.
Графенът е въглероден слой с дебелина един атом, който може да се опише като еднослойна или 2D структура на графен (еднослоен графен = SLG). Графенът има изключително голяма специфична повърхност и превъзходни механични свойства (модул на Юнг 1 TPa и собствена якост 130 GPa), притежава отлична електро- и топлопроводимост, подвижност на носителите на заряд, прозрачност и е непроницаем за газове. Благодарение на тези характеристики графенът се използва като армираща добавка, за да придаде на композитите своята якост, проводимост и др. За да се съчетаят характеристиките на графена с тези на други материали, графенът трябва да се диспергира в сместа или се нанася като тънкослойно покритие върху подложка.
Високопроизводителна ултразвукова техника! Продуктовата гама на Hielscher обхваща целия спектър от компактния лабораторен ултразвуков апарат през настолни устройства до ултразвукови системи за работа в пълен промишлен мащаб.