Ultrazvučna proizvodnja Grafina
Ultrasonic synthesis of graphene via graphite exfoliation is the most reliable and advantageous method to produce high-quality graphene sheets on industrial scale. Hielscher high-performance ultrasonic processors are precisely controllable and can generate very high amplitudes in 24/7 operation. This allows to prepare high volumes of pristine graphene in a facile and size-controllable way.
Ultrazvučno Priprema grafena
Kako su poznate izuzetne karakteristike grafita, razvijene su nekoliko metoda za njegovu pripremu. Pored hemijske proizvodnje grafena iz grafena oksida u višestepenim procesima, za koje su potrebni veoma jaki oksidanti i reducirajući agensi. Pored toga, grafen pripremljen pod ovim oštrim hemijskim uslovima često sadrži i veliku količinu defekata čak i nakon smanjenja u poređenju sa grafenima dobijenim iz drugih metoda. Međutim, ultrazvuk je dokazana alternativa za proizvodnju visokokvalitetnog grafena, takođe u velikim količinama. Istraživači su razvili nešto drugačije načine korišćenja ultrazvuka, ali uopšte grafena je jednostavan proces u jednom koraku.

Sekvenca velike brzine (od a do f) okvira koji ilustruju sono-mehaničku eksfolijaciju grafitne pahuljice u vodi UP200S, ultrazvučni sistem od 200W sa 3-mm sonotrodom. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (pilinga) sa mjehurićima kavitacije koji prodiru u cijepanje.
(studije i slike: © Tyurnina et al. 2020)

UIP2000hdT – 2-w moćan ultrasonicator grafika
Advantages of Ultrasonic Graphene Exfoliation
Hielscher probe-type ultrasonicators and reactors turn graphene exfoliation into a highly efficient process used to produce graphene from graphite through the application of powerful ultrasound waves. This technique offers several advantages over other methods of graphene production. Major benefits of ultrasonic graphene exfoliation are the following:
- High efficiency: Graphene exfoliation via probe-type ultrasonication is a very efficient method of graphene production. It can produce large amounts of high-quality graphene in a short period of time.
- Niska cijena: The equipment required for ultrasonic exfoliation in industrial graphene production is relatively inexpensive compared to other methods of graphene production, such as chemical vapor deposition (CVD) and mechanical exfoliation.
- Skalabilnost: Exfoliating graphene via ultrasonicator can be easily scaled up for large-scale production of graphene. Ultrasonic exfoliation and dispersion of graphene can be run in batch as well as in continuous inline process. This makes it a viable option for industrial-scale applications.
- Control over graphene properties: Graphene exfoliation and delamination using probe-type ultrasonication allows for precise control over the properties of the graphene produced. This includes its size, thickness, and number of layers.
- Minimal environmental impact: Graphene exfoliation using an ultrasonic proven is a green method of graphene production, as it can be used with non-toxic, environmentally benign solvents such as water or ethanol. This means that ultrasonic graphene delamination allows to avoid or reduce the use of harsh chemicals or high temperatures. This makes it an environmentally friendly alternative to other graphene production methods.
Overall, graphene exfoliation using Hielscher probe-type ultrasonicators and reactors offers a cost-effective, scalable, and environmentally friendly method of graphene production with precise control over the properties of the resulting material.
Example for the Simple Production of Graphene using Sonication
Graphite is added in a mixture of dilute organic acid, alcohol, and water, and then the mixture is exposed to ultrasonic irradiation. The acid works as a “molekularne klin” koji razdvaja listova grafena od matične grafita. Ovaj jednostavan proces, velike količine neoštećene, kvalitetne grafen raspršeni u vodi se stvara. (An et al. 2010.)
Grafen Direktni Piling
Ultrazvuk omogućava pripremu graphenes u organskim otapalima, tenzidi / voda rješenja, ili jonske tečnosti. To znači da je upotreba jakim sredstvima ili smanjenje agenti mogu se izbjeći. Stanković i dr. (2007) proizvela grafena po piling pod ultrasonication.
The AFM images of graphene oxide exfoliated by the ultrasonic treatment at concentrations of 1 mg/mL in water always revealed the presence of sheets with uniform thickness (~1 nm; example is shown in the picture below). These well-exfoliated samples of graphene oxide contained no sheets either thicker or thinner than 1nm, leading to a conclusion that complete exfoliation of graphene oxide down to individual graphene oxide sheets was indeed achieved under these conditions. (Stankovich et al. 2007)

AFM image of exfoliated GO sheets with three height profiles acquired in different locations
(picture and study: ©Stankovich et al., 2007)
Priprema grafena listovi
Stengl et al. have shown the successful preparation of pure graphene sheets in large quantities during the production of nonstoichiometric TiO2 graphene nanocomposit by thermal hydrolysis of suspension with graphene nanosheets and titania peroxo complex. The pure graphene nanosheets were produced from natural graphite using a high intensity cavitation field generated by Hielscher ultrasonic processor UIP1000hd in a pressurized ultrasonic reactor at 5 bar. The graphene sheets obtained, with high specific surface area and unique electronic properties, can be used as a good support for TiO2 to enhance the photocatalytic activity. The research group claims that the quality of the ultrasonically prepared graphene is much higher than graphene obtained by Hummer’s method, where graphite is exfoliated and oxidized. As the physical conditions in the ultrasonic reactor can be precisely controlled and by the assumption that the concentration of graphene as a dopant will vary in the range of 1 – 0.001%, the production of graphene in a continuous system on commercial scale is easily installed. Industrial ultrasonicators and inline reactors for efficient exfoliation of high-quality graphene are readily available.
Priprema ultrazvučnim Tretman grafena oksid
Oh et al. (2010) su pokazali put priprema pomoću ultrazvučnog zračenje za proizvodnju grafen oksida (GO) slojeva. Dakle, oni suspendovan dvadeset pet miligrama grafena oksida praha u 200 ml dejonizovana vode. Do miješajući se dobila nehomogene smeđa suspenzija. Rezultirajući obustave sonicated (30 min, 1,3 × 105J), a nakon sušenja (pri 373 K) je ultrazvučno tretiranih grafen oksida je proizveden. A FTIR spektroskopije pokazala da ultrazvučni tretman nije promijenilo funkcionalne grupe grafena oksida.
Funkcionisanje grafena listovi
Xu i Suslick (2011) opisuju pogodnom metodom jedan korak za pripremu polistirena funkcionalna grafita. U svojoj studiji, koristili su grafit pahuljica i stirena kao osnovnu sirovinu. Do upotrebe sonikatora grafita pahuljice u stirena (reaktivno monomer), ultrazvuk zračenje je rezultiralo mehanohemijske piling grafita pahuljica u jednoslojni i nekoliko sloja grafen listova. Istovremeno, ostvaren je funkcionisanje od grafena listova sa stiropora lancima.
Isti proces od funkcionisanje se može izvesti s drugim vinil monomera za kompozite na osnovu grafen.
grafen disperzije
Raspon disperzije grafena i grafena oksida je izuzetno važan za korišćenje pun potencijala grafena sa svojim specifičnostima. Ako grafen nije dispergovan pod kontrolisanim uslovima, polidisperznost grafene disperzije može dovesti do nepredvidivog ili neidealnog ponašanja nakon ugrađivanja u uređaje, jer se svojstva grafena razlikuju u funkciji njegovih strukturnih parametara. Sonikacija je dokazano tretiranje da oslabi sile međuslase i omogućava tačnu kontrolu važnih parametara obrade.
"Za grafena oksid (GO), koji se obično ekspandiranog kao jednim slojem listova, jedan od glavnih polidisperznosti izazove proizlazi iz razlike u lateralni području pahuljice. Dokazano je da je srednja lateralne veličine GO može biti pomaknut od 400 nm do od 20 mikrometara promjenom grafit početni materijal i uslove sonication. "(Green et al. 2010.)
The ultrasonic dispersing of graphene resulting in fine and even colloidal slurries has been demonstrated in various other studies. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) su pokazali da je upotreba ultrasonication stabilne grafena disperzija sa visokom koncentracijom od 1 mg · mL-1 i relativno čisti grafen listovi su ostvareni, a kao pripremljeni grafen listova pokazuju visok električni vodljivosti 712 S · m-1. Rezultati Fourier transformiše infracrvenih spektara i Raman spektar ispitivanje pokazuje da je način pripreme ultrazvučnog ima manje štete na kemijske i kristalne strukture grafena.
High Performance Ultrasonicators for Graphene Exfoliation
Za proizvodnju visokokvalitetnih grafica, pouzdana visokozvučna oprema je potrebna. Amplituda, pritisak i temperatura su osnovni parametri, koji su presudni za reproducivost i dosljedan kvalitet proizvoda. Hielscher Ultrasonics’ ultrasonic processors are powerful and precisely controllable systems, which allow for the exact setting of process parameters and continuous high-power ultrasound output. Hielscher Ultrasonics industrial ultrasonic processors can deliver very high amplitudes. Amplitudes of up to 200µm can be easily continuously run in 24/7 operation. For even higher amplitudes, customized ultrasonic sonotrodes are available. The robustness of Hielscher’s ultrasonic equipment allows for 24/7 operation at heavy duty and in demanding environments.
Our customers are satisfied by the outstanding robustness and reliability of Hielscher Ultrasonics systems. The installation in fields of heavy-duty application, demanding environments and 24/7 operation ensure efficient and economical processing. Ultrasonic process intensification reduces processing time and achieves better results, i.e. higher quality, higher yields, innovative products.
Tabela u nastavku daje naznaku približan kapacitet prerade naših ultrasonicators:
Batch Volumen | protok | Preporučeni uređaji |
---|---|---|
00,5 do 1.5mL | N / A. | VialTweeter |
1 do 500ml | 10 do 200ml / min | UP100H |
10 do 2000mL | 20 do 400mL / min | Uf200 ः t, UP400St |
00,1 do 20L | 00,2 do 4L / min | UIP2000hdT |
10 do 100l | 2 do 10L / min | UIP4000hdT |
N / A. | 10 do 100L / min | UIP16000 |
N / A. | veći | klaster UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Priprema Carbon Nanoscrolls
Carbon Nanoscrolls are similar to multi-walled carbon nanotubes. The difference to MWCNTs is the open tips and the full accessibility of the inner surfaces to other molecules. They can be synthesized wet-chemically by intercalating graphite with potassium, exfoliating in water and sonicating the colloidal suspension. (cf. Viculis et al. 2003) The ultrasonication assists the scrolling up of the graphene monolayers into carbon nanoscrolls (see graphic below). A high conversion efficiency of 80% has been achieved, that makes the production of nanoscrolls interesting for commercial applications.
Priprema Nanoribbons
Istraživačka grupa Hongjie Dai i njegove kolege sa Univerziteta Stanford pronašli su tehniku pripreme nanobibona. Grafene trake su tanke trake grafena koje mogu imati još korisne karakteristike od grafena. Kod širina od oko 10 nm ili manje, ponašanje grafenskih traka slično je poluprovodniku jer su elektroni prisiljeni da se pomeraju dužinom. Zbog toga bi moglo biti zanimljivo koristiti nanoribone sa poluprovodničkim funkcijama u elektronici (npr. Za manje, brže računarske čipove).
Dai et al. priprema grafena nanoribbons baza na dva koraka: prvo, oni popustio slojeva grafena od grafita po termičku obradu 1000ºC za jednu minutu u 3% hidrogen u argon plin. Zatim, grafen je razbijena u trake koristeći ultrasonication. Je nanoribbons dobiveni ovom tehnikom se odlikuju puno 'glađe’ trake od onih koje je konvencionalnim litografski sredstvima. (Jiao et al. 2009.)
Ultrasonically-Assisted Production of Graphene
Činjenice vredi znati
Šta je Grafin?
Grafit se sastoji od dvodimenzionalno listova, heksagonalno uređen atoma ugljika SP2-hibridizovala - je grafen - koje se redovno složen. U grafena Atom-tanke listove, koji čine grafita od strane ne-vezivanja interakcije, karakterizira ekstremno veću površinu. Grafena pokazuje izuzetnu snagu i čvrstinu duž njegove bazalnog nivoa koji dostiže sa cca. 1020 GPa gotovo vrijednost snagu dijamant.
Grafena je osnovni strukturalni element nekih alotropi uključujući, pored grafita, i nanocijevi i fulerena. Koristi se kao aditiv, grafen može dramatično poboljšati električni, fizički, mehanički i barijera svojstva polimernih kompozita na ekstremno niskim opterećenja. (Xu, Suslick 2011.)
Svojim svojstvima, grafen je materijal superlativa i time obećava industriju koja proizvodi kompozite, premaze ili mikroelektroniku. Geim (2009) opisuje grafenu kao supermaterijalnu koncizno u sledećem paragrafu:
"To je najtanji materijal u svemiru i najjači ikada izmjeriti. Njegova naboja pokazuju gigant unutrašnju mobilnost, imaju najmanji efektivne mase (to je nula) i mogu putovati mikrometar-velike udaljenosti bez rasipanja na sobnoj temperaturi. Grafen može izdržati gustine struje 6 narudžbe veće od bakra, prikazuje rekord toplotnu provodljivost i krutost, ne propušta plinove i miri kao što konfliktnih kvalitetama kao krtosti i duktilnosti. Transport elektrona u grafen je opisan od strane Dirac nalik jednačina, što omogućava istraživanje relativističke kvantne pojave u klupi-top eksperiment. "
Zbog karakteristika ove izvanredne materijala, grafen je jedan od najperspektivnijih materijala i stoji u fokusu istraživanja nanomaterijalom.
Potencijalne aplikacije za Grafene
Biološke primene: Primjer za ultrazvučnu pripremu grafena i njegovu biološku upotrebu dat je u studiji "Sinteza grafen-zlata nanokompozita putem Sonohemičkog redukcije" od strane Park et al. (2011), gde je nanocompozit od smanjenih nanocelica grafena oksida (Au) sintetizovan istovremenim redukovanjem jona zlata i nanošenjem zlatnih nanočestica na površinu redukovanog grafen oksida istovremeno. Da bi se olakšalo smanjenje jona zlata i generisanje funkcionalnosti kiseonika za sidrenje zlatnih nanočestica na redukovanom grafenu oksidu, ultrazvučna zračenja primijenjena su na mješavinu reaktanata. Proizvodnja biomolekula modifikovanih zlatnim peptidom pokazuje potencijal ultrazvučnog zračenja grafena i grafena kompozita. Stoga, izgleda da je ultrazvuk pogodan alat za pripremu drugih biomolekula.
Elektronika: Grafen je vrlo funkcionalan materijal za elektronski sektor. Visokim mobilnost naboja unutar mreže u grafen je, grafen je najveći interes za razvoj brzih elektronskih komponenti u visoke frekvencije tehnologije.
Senzori: Odgovor ultrazvučno ekspandiranog grafen može se koristiti za proizvodnju visoko osjetljiv i selektivan konduktometrijska senzora (čiji je otpor brzo mijenja >10 000% zasićenih etanola pare), i ultrakondenzatori sa ekstremno visokom specifičnom kapacitet (120 F / g), gustoća snage (105 kW / kg), i gustoća energije (9,2 Wh / kg). (An et al. 2010.)
Alkohol: Za proizvodnju alkohola: A strana aplikacija može biti korištenje grafena u proizvodnji alkohola, postoje grafen membrane može se koristiti za polučio alkohol i da se na taj način alkoholnih pića jači.
Kao najjača, većina elektroprovodnim i jedan od najlakših i najfleksibilniji materijala, grafen je materijal obećavajući za solarne ćelije, katalizu, transparentan i emitivnim prikazuje, mikromehaničkog rezonatori, tranzistori, kao katoda u litij-zrak baterije, za ultraosetljivi kemijske detektore , provodnim slojevima kao i upotrebu kao aditiv u jedinjenja.
Radni princip visokog ultrazvuka.
Kada soniciraju tečnosti u visokim intenzitetima, zvučni talasi koji se propagiraju u tečnim medijima rezultiraju izmenama ciklusa visokog pritiska (kompresije) i niskog pritiska (retka dejstva), sa stopama u zavisnosti od frekvencije. Tokom ciklusa niskog pritiska ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili praznine u tečnosti. Kada mehurići postignu zapreminu na kojoj više ne mogu da apsorbuju energiju, oni se nasilno srušavaju tokom ciklusa visokog pritiska. Ovaj fenomen naziva se kavitacija. Tokom implozije veoma visoke temperature (oko 5.000K) i pritisci (oko 2.000atm) su postignuti lokalno. Implosija kavitacija balon također rezultira tečnim mlazove do 280m / s brzina. (Suslick 1998) je ultrazvučno generira kavitacija uzrokuje kemijske i fizičke efekte, koji se mogu primijeniti na procese.
Kavitacija izazvana Sonohemiju pruža jedinstvenu interakciju između energije i materije, sa žarišta unutar mjehurića od ~ 5000 K, pritisaka ~ 1000 bar, grijanje i hlađenje stope >1010K s-1; ove izvanredne uslove dozvoljavaju pristup nizu hemijske reakcije prostora obično nije dostupan, što omogućuje sintezu širok spektar neobičnih nanostrukturnih materijala. (Bang 2010.)
Književnost/reference
- 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.
- 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.
- Stengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
- An, X.; Simmons, T.; Shah, R.; Wolfe, C.; Lewis, K. M.; Washington, M.; Nayak, S. K.; Talapatra, S.; Kar, S. (2010): Stable Aqueous Dispersions of Noncovalently Functionalized Graphene from Graphite and their Multifunctional High-Performance Applications. Nano Letters 10/2010. pp. 4295-4301.
- Baby, T. Th.; Ramaprabhu, S. (2011): Enhanced convective heat transfer using graphene dispersed nanofluids. Nanoscale Research Letters 6:289, 2011.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Choi, E. Y.; Han, T. H.; Hong, J.; Kim, J. E.; Lee, S. H.; Kim, H. W.; Kim, S. O. (2010): Noncovalent functionalization of graphene with end-functional polymers. Journal of Materials Chemistry 20/ 2010. pp. 1907-1912.
- Geim, A. K. (2009): http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0906/0906.3799.pdf”>Graphene: Status and Prospects. Science 324/2009. pp. 1530-1534.
- Green, A. A.; Hersam, M. C. (2010): Emerging Methods for Producing Monodisperse Graphene Dispersions. Journal of Physical Chemistry Letters 2010. pp. 544-549.
- Guo, J.; Zhu, S.; Chen, Z.; Li, Y.; Yu, Z.; Liu, Z.; Liu, Q.; Li, J.; Feng, C.; Zhang, D. (2011): Sonochemical synthesis of TiO2 nanoparticles on graphene for use as photocatalyst
- Hasan, K. ul; Sandberg, M. O.; Nur, O.; Willander, M. (2011): Polycation stabilization of graphene suspensions. Nanoscale Research Letters 6:493, 2011.
- Liu, X.; Pan, L.; Lv, T.; Zhu, G.; Lu, T.; Sun, Z.; Sun, C. (2011): Microwave-assisted synthesis of TiO2-reduced graphene oxide composites for the photocatalytic reduction of Cr(VI). RSC Advances 2011.
- Malig, J.; Englert, J. M.; Hirsch, A.; Guldi, D. M. (2011): Wet Chemistry of Graphene. The Electrochemical Society Interface, Spring 2011. pp. 53-56.
- Oh, W. Ch.; Chen, M. L.; Zhang, K.; Zhang, F. J.; Jang, W. K. (2010): The Effect of Thermal and Ultrasonic Treatment on the Formation of Graphene-oxide Nanosheets. Journal of the Korean Physical Society 4/56, 2010. pp. 1097-1102.
- Sametband, M.; Shimanovich, U.; Gedanken, A. (2012): Graphene oxide microspheres prepared by a simple, one-step ultrasonication method. New Journal of Chemistry 36/2012. pp. 36-39.
- Savoskin, M. V.; Mochalin, V. N.; Yaroshenko, A. P.; Lazareva, N. I.; Konstanitinova, T. E.; Baruskov, I. V.; Prokofiev, I. G. (2007): Carbon nanoscrolls produced from acceptor-type graphite intercalation compounds. Carbon 45/2007. pp. 2797-2800.
- Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piner, R. D.; Kohlhaas, K. A.; Kleinhammes, A.; Jia, Y.; Wu, Y.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. (2007): Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide. Carbon 45/2007. pp. 1558-1565.
- Viculis, L. M.; Mack, J. J.; Kaner, R. B. (2003): A Chemical Route To Carbon Nanoscrolls. Science, 299/1361; 2003.
- Xu, H.; Suslick, K. S. (2011): Sonochemical Preparation of Functionalized Graphenes. In: Journal of American Chemical Society 133/2011. pp. 9148-9151.
- Zhang, W.; He, W.; Jing, X. (2010): Preparation of a Stable Graphene Dispersion with High Concentration by Ultrasound. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. pp. 10368-10373.
- Jiao, L.; Zhang, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Dai, H. (2009): Narrow graphene nanoribbons from carbon nanotubes. Nature 458/ 2009. pp. 877-880.
- Park, G.; Lee, K. G.; Lee, S. J.; Park, T. J.; Wi, R.; Kim, D. H. (2011): Synthesis of Graphene-Gold Nanocomposites via Sonochemical Reduction. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7/11, 2011. pp. 6095-6101.
- Zhang, R.Q.; De Sakar, A. (2011): Theoretical Studies on Formation, Property Tuning and Adsorption of Graphene Segments. In: M. Sergey (ed.): Physics and Applications of Graphene – Theory. InTech 2011. pp. 3-28.

Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija u industrijske veličine.