Ultrazvučni piling grafena disperzibilnog u vodi
- Jednoslojni i dvoslojni grafenski nano listovi mogu se brzo proizvesti ultrazvučnim pilingom uz visoku propusnost i po niskoj cijeni.
- Ultrazvučno eksfoliran grafen može se funkcionalizirati biopolimerima kako bi se dobio u vodi disperzibilni grafen.
- Ultrazvučnom kavitacijom, sintetizirani grafen se može dalje obraditi u stabilnu disperziju na bazi vode.
Ultrazvučni piling visokokvalitetnog grafena
Ultrazvučna obrada je pouzdana metoda za proizvodnju slojeva grafena (jednoslojnog, dvoslojnog i višeslojnog grafena) od grafitnih pahuljica ili čestica. Dok su druge uobičajene tehnike pilinga kao što su mlinovi s kuglicama i valjcima ili miješalice s visokim smicanjem povezane s niskim kvalitetom i upotrebom agresivnih reagensa i otapala, metoda ultrazvučnog pilinga uvjerava svojim visokim kvalitetom, visokim kapacitetom procesa i blagim uvjetima obrade.
Ultrazvučna kavitacija stvara intenzivne sile smicanja koje razdvajaju naslagane slojeve grafita u mono-, dvo- i nekoliko slojeva grafena bez defekata.
Grafenski listovi koji se mogu dispergirati u vodi putem ultrazvuka
Ultrazvučna obrada je efikasna procedura sa ponovljivim rezultatima za raspetljavanje ugljeničnih nanocevi u vodi ili organskim rastvaračima.[/caption]U normalnim uslovima, grafen se teško može dispergovati u vodi i formira agregate i aglomerate kada se rasprši u vodenom mediju. Budući da vodeni sistemi imaju značajne prednosti u tome što su jeftini, netoksični, ekološki prihvatljivi, sistemi grafena na bazi vode vrlo su privlačni proizvođačima grafena i daljnjoj industriji.
Da bi se dobili nanoploče grafena koje se mogu dispergirati u vodi, ultrazvučno eksfolijirani grafen se modificira polisaharidima/biopolimerima kao što su pululan, hitozan, alginat, želatin ili arapska guma.
- visokokvalitetni grafen
- visok prinos
- disperzija na bazi vode
- visoka koncentracija
- visoka efikasnost
- Brzi proces
- jeftino
- visoke propusnosti
- ekološki prihvatljiv
Ultrazvučni reaktor sa ultrazvučnim aparatima tipa sonde za industrijsko piling grafena
Protokol direktnog pilinga grafita uz pomoć ultrazvuka
Nejonski pululan i anjonski alginat (1,0 g) odvojeno su rastvoreni u 20 ml destilovane vode, dok je kationski hitozan (0,4 g) rastvoren u 20 ml destilovane vode sa 1 tež% sirćetne kiseline. Grafitni prah je dispergovan u vodenim rastvorima biopolimera i tretiran pomoću ultrazvučnog aparata tipa sonde UP200S (maksimalne snage 200 W, frekvencija 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Nemačka) opremljenog titanijumskom sonotrodom (mikro vrh S3, prečnik vrha 3 mm, maksimalna amplituda 210µm, gustina akustičke snage ili površinski intenzitet 460 W cm-2) pod sljedećim uvjetima: 0,5 ciklusa i 50% amplitude, za period od 10, 20, 30, odnosno 60 min. Najbolji rezultati su postignuti pri ultrazvuku od 30 minuta. Sonikacija je primijenjena pri snazi od 16,25 W u trajanju od 30 minuta, uz potrošnju energije (energetski izlaz po jedinici volumena) od 731 Ws ml-1.
Nakon toga, smjese su centrifugirane na 1500 rpm tokom 60 minuta da bi se uklonile neoljuštene čestice grafita, a zatim su isprane 5 puta i ponovo centrifugirane na 5000 rpm tokom 20 minuta kako bi se uklonili višak biopolimera. Rezultirajuće tamnosive otopine su osušene u vakuumu na 40ºC sve dok nije došlo do gubitka mase. Dobijeni polimer-grafenski prahovi su ponovo raspršeni u vodi (1 mg ml-1 za pululan i hitozan; 0,18 mg ml-1 za alginat) radi karakterizacije. Grafenski listovi dobiveni ultrazvukom uz pomoć pululana, alginata i hitozana označeni su kao pull-G, alg-G i chit-G, respektivno.
Od tri sistema, pululan i hitozan su bili efikasniji u pilingu grafita od alginata. Ova metoda je dala ljuštene mono-, dvo- i višeslojne listove grafena sa samo malim bočnim (ivicama) defektima. Adsorpcija biopolimera na površini grafena daje dugotrajnu stabilnost (više od 6 mjeseci) vodene disperzije.
(usp. Unalan et al. 2015.)
Brzi niz (od a do f) okvira koji ilustrira sono-mehaničko piling grafitne pahuljice u vodi koristeći UP200S, ultrazvučni aparat od 200 W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (pilinga) sa mjehurićima kavitacije koji prodiru u rascjep.
(studija i slike: © Tyurnina et al. 2020
TEM slike pull-G za: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G 30 min; (f) alg-G 30 min. (Unalan et al. 2015.)
Ultrasonikatori za grafenski piling
Hielscher ultrazvučni procesori velike snage koriste se širom svijeta za uspješno piling i disperziju grafita i grafena. Naši ultrazvučni disperzatori dostupni su od laboratorijskih i stonih do kompletnih industrijskih proizvodnih jedinica. Osim robusnosti, rada 24/7 i niskog održavanja, Hielscher ultrasonikatori uvjeravaju velikom lakoćom obrade i linearnom skalabilnosti.
Procesi se mogu lako testirati i optimizirati u laboratoriji. Nakon toga, svi rezultati procesa mogu se potpuno linearno skalirati na nivo komercijalne proizvodnje. Ovo čini sonikaciju efikasnom i efikasnom metodom proizvodnje za veliku količinu visokokvalitetnih listova grafena.
Hielscher Ultrasonics industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Odgovarajući ultrazvučni reaktori osiguravaju mogućnost pouzdane i sigurne masovne proizvodnje visokokvalitetnih nanolistova grafena, kao i stabilnih disperzija nanolistova.
Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000 |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Mehanizam ultrazvučnog pilinga 2D nanolistova.
(studija i grafika: Tyurnina et al., 2020.)
Činjenice koje vrijedi znati
grafen
Grafen je monosloj sp2-vezanih atoma ugljika. Grafen nudi jedinstvene karakteristike materijala kao što je izuzetno velika specifična površina (2620 m2g-1), superiorne mehaničke osobine sa Youngovim modulom od 1 TPa i intrinzičnom čvrstoćom od 130 GPa, izuzetno visokom elektronskom provodnošću (pokretljivost elektrona na sobnoj temperaturi od 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), vrlo visoka toplotna provodljivost (iznad 3000 W m K-1), da imenujemo najvažnija svojstva. Zbog svojih superiornih svojstava materijala, grafen se uvelike koristi u razvoju i proizvodnji baterija visokih performansi, gorivnih ćelija, solarnih ćelija, superkondenzatora, skladišta vodonika, elektromagnetnih štitova i elektronskih uređaja. Nadalje, grafen je ugrađen u mnoge nanokompozite i kompozitne materijale kao aditiv za ojačavanje, npr. u polimere, keramiku i metalne matrice. Zbog svoje visoke provodljivosti, grafen je važna komponenta provodljivih boja i mastila.
Brz i siguran ultrazvučna priprema grafena bez defekata u velikim količinama uz niske troškove omogućava proširenje primjene grafena na sve više industrija.
Literatura/Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.