Eksfolijacija grafena na bazi vode
Ultrazvučna eksfolijacija omogućava proizvodnju grafena s malim brojem slojeva bez upotrebe agresivnih otapala, isključivo uz čistu vodu. Ultrazvučna obrada velike snage delaminira listove grafena u kratkom tretmanu. Izbjegavanje otapala čini eksfolijaciju grafena zelenim, održivim procesom.
Proizvodnja grafena eksfolijacijom u tekućoj fazi
Grafen se komercijalno proizvodi takozvanom eksfolijacijom u tekućoj fazi. Eksfolijacija grafena u tekućoj fazi zahtijeva upotrebu toksičnih, po okoliš štetnih i skupih otapala, koja se koriste kao hemijski predtretman ili u kombinaciji s mehaničkom tehnikom disperzije. Za mehaničku disperziju listova grafena ultrazvučna obrada se afirmirala kao vrlo pouzdana, efikasna i sigurna tehnika za proizvodnju visokokvalitetnih listova grafena u velikim količinama na potpuno industrijskom nivou. Budući da je upotreba agresivnih otapala uvijek praćena troškovima, kontaminacijom, složenim uklanjanjem i zbrinjavanjem, sigurnosnim rizicima te opterećenjem za okoliš, netoksična i sigurnija alternativa je znatna prednost. Eksfolijacija grafena uz vodu kao otapalo i ultrazvuk velike snage za mehaničku delaminaciju listova grafena s malim brojem slojeva stoga je vrlo obećavajuća tehnika za zelenu proizvodnju grafena.
Uobičajena otapala koja se često koriste kao tekuća faza za disperziju nanolistova grafena uključuju dimetil sulfoksid (DMSO), N,N-dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilureu (TMU), tetrahidrofuran (THF), propilen karbonataceton (PC), etanol i formamid.
Kao već dugo uspostavljena tehnika za eksfolijaciju grafena u komercijalnim razmjerima, ultrazvučna obrada omogućava proizvodnju visokokvalitetnog grafena visoke čistoće uz niske troškove. Budući da se ultrazvučna eksfolijacija grafena može potpuno linearno skalirati na bilo koju zapreminu, prinos visokokvalitetnih pahuljica grafena može se lako primijeniti za masovnu proizvodnju grafena.
UIP2000hdT je snažan ultrazvučni disperzer od 2 kW za eksfolijaciju i disperziju grafena.
Ultrazvučna eksfolijacija grafena u vodi
Tyurnina i dr. (2020) istražili su učinke amplitude i intenziteta ultrazvučne obrade na čiste otopine vode i grafita te rezultirajuću eksfolijaciju grafena. U studiji su koristili Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultrazvučna eksfolijacija uz vodu primijenjena je kao jednostepeni proces za delaminaciju grafena s malim brojem slojeva. Kratak tretman od 2h bio je dovoljan za proizvodnju grafena s malim brojem slojeva u postavci ultrazvučne obrade u otvorenoj čaši.
Brza sekvenca snimaka (od a do f) koja prikazuje sonomehaničku eksfolijaciju pahuljice grafita u vodi pomoću UP200s, ultrazvučnog uređaja od 24 kHz sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (eksfolijacije) pri čemu kavitacijski mjehurići prodiru u procjep.
© Tyurnina i dr., 2020
Optimizacija ultrazvučne eksfolijacije grafena
Ultrazvučna postavka koju su koristili Tyurnina i dr. (2020) može se lako optimizirati za veću efikasnost i bržu eksfolijaciju primjenom zatvorenog ultrazvučnog reaktora u protočnom režimu. Ultrazvučna obrada u liniji omogućava znatno ujednačeniji ultrazvučni tretman cjelokupne sirovine grafita: kada se otopina grafita i vode dovodi direktno u ograničeni prostor ultrazvučne kavitacije, sav grafit se ujednačeno podvrgava ultrazvučnoj obradi, što rezultira visokim prinosom visokokvalitetnih pahuljica grafena.
Sistemi Hielscher Ultrasonics omogućavaju preciznu kontrolu svih važnih parametara obrade, kao što su amplituda, vrijeme / zadržavanje, unos energije (Ws/mL), pritisak i temperatura. Podešavanje optimalnih ultrazvučnih parametara rezultira najvišim prinosom, kvalitetom i ukupnom efikasnošću.
Kako ultrazvučna obrada potiče eksfolijaciju grafena
Kada se ultrazvučni valovi velike snage unesu u suspenziju grafitnog praha i vode ili bilo kojeg otapala, sonomehaničke sile kao što su veliko smicanje, intenzivne turbulencije te velike razlike u pritisku i temperaturi stvaraju energetski intenzivne uvjete. Ti energetski intenzivni uvjeti rezultat su pojave akustične kavitacije.
Saznajte više o ultrazvučnoj kavitaciji ovdje!
Ultrazvuk velike snage pokreće širenje grafitnog praha, jer se tekućine utiskuju između slojeva grafena od kojih se grafit sastoji. Ultrazvučne smične sile delaminiraju pojedinačne listove grafena i raspršuju ih kao pahuljice grafena u otopini. Za dugoročnu stabilnost grafena u vodi potreban je surfaktant.
Mehanizam ultrazvučne eksfolijacije grafena u tekućoj fazi.
Studija i slika: Tyurnina i dr., 2021.
Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za eksfolijaciju grafena
Pametne funkcije Hielscher ultrazvučnih uređaja osmišljene su kako bi zajamčile pouzdan rad, ponovljive rezultate i jednostavnost korištenja. Radnim postavkama može se lako pristupiti i podešavati ih putem intuitivnog menija, kojem se može pristupiti putem digitalnog ekrana osjetljivog na dodir u boji i daljinskog upravljanja putem preglednika. Stoga se svi uvjeti obrade, kao što su neto energija, ukupna energija, amplituda, vrijeme, pritisak i temperatura, automatski bilježe na ugrađenu SD karticu. To vam omogućava da pregledate i uporedite prethodne cikluse ultrazvučne obrade te da optimizirate proces eksfolijacije grafena do najviše efikasnosti.
Sistemi Hielscher Ultrasonics koriste se širom svijeta za proizvodnju visokokvalitetnih listova grafena i grafen-oksida. Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji mogu lako raditi s visokim amplitudama u kontinuiranom radu (24/7/365). Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano generirati sa standardnim sonotrodama (ultrazvučne sonde / rogovi i CascatrodeTM). Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Zbog svoje robusnosti i niskih troškova održavanja, naši sistemi za ultrazvučnu eksfolijaciju obično se ugrađuju za zahtjevne primjene i u zahtjevnim okruženjima.
Hielscher ultrazvučni procesori za eksfolijaciju grafena već su instalirani širom svijeta u komercijalnim razmjerima. Kontaktirajte nas odmah kako bismo razgovarali o vašem procesu proizvodnje grafena! Naše iskusno osoblje rado će podijeliti više informacija o procesu eksfolijacije, ultrazvučnim sistemima i cijenama!
Da biste saznali više o ultrazvučnoj sintezi, disperziji i funkcionalizaciji grafena, kliknite ovdje:
- Proizvodnja grafena
- Nanoplatele grafena
- Eksfolijacija grafena na bazi vode
- Grafen disperzibilan u vodi
- Grafen-oksid
- Ksenes
| Zapremina šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, disperziju, emulgiranje i ekstrakciju u laboratorijskim, pilot i industrijskim razmjerima.
Literatura / Reference
- 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.
Vrijedno znanja
Šta je grafen?
Grafen je monosloj sp2-vezanih atoma ugljika. Grafen nudi jedinstvene karakteristike materijala, kao što su izuzetno velika specifična površina (2620 m2 g-1), vrhunska mehanička svojstva s Youngovim modulom od 1 TPa i intrinzičnom čvrstoćom od 130 GPa, izuzetno visoka elektronska provodljivost (pokretljivost elektrona na sobnoj temperaturi od 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), vrlo visoka toplotna provodljivost (iznad 3000 W m K-1), da navedemo najvažnija svojstva. Zahvaljujući vrhunskim svojstvima materijala, grafen se intenzivno koristi u razvoju i proizvodnji visokoučinkovitih baterija, gorivih ćelija, solarnih ćelija, superkondenzatora, spremnika vodika, elektromagnetnih štitova i elektroničkih uređaja. Osim toga, grafen se ugrađuje u mnoge nanokompozite i kompozitne materijale kao aditiv za ojačanje, npr. u polimere, keramiku i metalne matrice. Zbog svoje visoke provodljivosti, grafen je važna komponenta provodljivih boja i tinti.
Brza i sigurna ultrazvučna priprema grafena bez defekata u velikim zapreminama uz niske troškove omogućava proširenje primjene grafena na sve više industrija.
Grafen je sloj ugljika debljine jednog atoma, koji se može opisati kao jednoslojna ili 2D struktura grafena (jednoslojni grafen = SLG). Grafen ima izuzetno veliku specifičnu površinu i vrhunska mehanička svojstva (Youngov modul od 1 TPa i intrinzična čvrstoća od 130 GPa), nudi odličnu elektronsku i toplotnu provodljivost, pokretljivost nosilaca naboja, prozirnost i nepropusan je za plinove. Zbog tih karakteristika materijala grafen se koristi kao aditiv za ojačanje kako bi kompozitima davao čvrstoću, provodljivost itd. Da bi se karakteristike grafena kombinirale s drugim materijalima, grafen se mora disperzirati u smjesu ili se nanosi kao tankoslojni premaz na podlogu.
Visokoučinkovita ultrazvučna tehnologija! Asortiman proizvoda kompanije Hielscher pokriva cijeli spektar, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih jedinica do potpuno industrijskih ultrazvučnih sistema.