Piling grafena na bazi vode
Ultrazvučni piling omogućava proizvodnju grafena u nekoliko slojeva bez upotrebe jakih otapala koristeći samo čistu vodu. Ultrazvuk velike snage odvaja grafenske ploče u kratkom tretmanu. Izbjegavanje rastvarača pretvara piling grafena u zeleni, održivi proces.
Proizvodnja grafena putem pilinga tečne faze
Grafen se komercijalno proizvodi takozvanim pilingom tečne faze. Eksfolijacija grafena u tečnoj fazi zahtijeva upotrebu toksičnih, ekološki štetnih i skupih rastvarača, koji se koriste kao kemijski predtretman ili u kombinaciji sa/sa tehnikom mehaničke disperzije. Za mehaničku disperziju listova grafena, ultrazvuk je uspostavljen kao visoko pouzdana, efikasna i sigurna tehnika za proizvodnju visokokvalitetnih listova grafena u velikim količinama na potpuno industrijskom nivou. Budući da je upotreba jakih rastvarača uvijek praćena troškovima, kontaminacijom, složenim uklanjanjem i odlaganjem, sigurnosnim problemima kao i opterećenjem okoliša, netoksična i sigurnija alternativa je od velike prednosti. Eksfolijacija grafena korištenjem vode kao rastvarača i ultrazvuka za mehaničko odvajanje nekoliko slojeva grafenskih ploča je stoga vrlo obećavajuća tehnika za proizvodnju zelenog grafena.
Uobičajeni rastvarači, koji se često koriste kao tečna faza za raspršivanje grafenskih nano ploča, uključuju dimetil sulfoksid (DMSO), N,N-dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilureu (TMU), tetrahidrofuran (THF ), propilen karbonat aceton (PC), etanol i formamid.
Kao već dugotrajno uspostavljena tehnika pilinga grafena u komercijalnim razmjerima, ultrazvuk omogućava proizvodnju visokokvalitetnog grafena visoke čistoće po niskoj cijeni. Kako se ultrazvučni piling grafena može potpuno linearno skalirati na bilo koju zapreminu, proizvodni prinos visokokvalitetnih ljuskica grafena može se lako implementirati za masovnu proizvodnju grafena.
UIP2000hdT je moćni ultrazvučni disperzer od 2kW za piling i disperziju grafena.
Ultrazvučni piling grafena u vodi
Tyurnina et al. (2020) istraživali su efekte amplitude i intenziteta ultrazvuka na otopine čiste vode i grafita i rezultirajućeg pilinga grafena. U studiji su koristili Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultrazvučni piling korištenjem vode primijenjen je kao proces u jednom koraku za nekoliko slojeva grafenske delaminacije. Kratak tretman od 2 sata bio je dovoljan za proizvodnju grafena u nekoliko slojeva u postavci za sonikaciju otvorenih čaša.
Brzi niz (od a do f) okvira koji ilustrira sono-mehaničko piling grafitne pahuljice u vodi koristeći UP200s, ultrazvučni aparat od 24 kHz sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (pilinga) sa mjehurićima kavitacije koji prodiru u rascjep.
© Tyurnina et al., 2020
Optimizacija ultrazvučnog grafenskog pilinga
Ultrazvučna postavka koju koriste Tyurnina et al. (2020) može se lako optimizirati za veću efikasnost i brži piling korištenjem zatvorenog ultrazvučnog reaktora u protočnom načinu rada. Ultrazvučni inline tretman omogućava znatno ujednačeniji ultrazvučni tretman svih grafitnih sirovina: unošenjem otopine grafita/vode direktno u skučeni prostor ultrazvučne kavitacije, sav grafit postaje jednoliko sonikiran što rezultira visokim prinosom visokokvalitetnih ljuskica grafena.
Hielscher Ultrasonics sistemi omogućavaju preciznu kontrolu nad svim važnim parametrima obrade kao što su amplituda, vrijeme / zadržavanje, unos energije (Ws/mL), pritisak i temperatura. Postavljanje optimalnih ultrazvučnih parametara rezultira najvećim prinosom, kvalitetom i ukupnom efikasnošću.
Kako ultrazvuk potiče piling grafena
Kada se ultrazvučni talasi velike snage spoje u kašu grafitnog praha i vode ili bilo kog rastvarača, sonomehaničke sile poput velikog smicanja, intenzivne turbulencije i visokih pritisaka i temperaturnih razlika stvaraju energetski intenzivne uslove. Ovi energetski intenzivni uslovi su rezultat fenomena akustične kavitacije.
Više o ultrazvučnoj kavitaciji pročitajte ovdje!
Snažni ultrazvuk pokreće širenje grafitnog praha, budući da se između slojeva grafena, od kojih se grafit sastoji, stisnu fluidi. Ultrazvučne sile smicanja razdvajaju pojedinačne listove grafena i raspršuju ih kao grafenske pahuljice u otopini. Da bi se postigla dugoročna stabilnost grafena u vodi, potreban je surfaktant.
Mehanizam ultrazvučnog pilinga tečne faze eksfolijacije grafena.
Studija i slika Tyurnina et al., 2021.
Ultrasonikatori visokih performansi za piling grafena
Pametne karakteristike Hielscher ultrasonicatora su dizajnirane da garantuju pouzdan rad, ponovljive rezultate i jednostavnost za korišćenje. Operativnim postavkama se može lako pristupiti i birati ih putem intuitivnog menija, kojem se može pristupiti putem digitalnog dodirnog ekrana u boji i daljinskog upravljača pretraživača. Stoga se svi uvjeti obrade kao što su neto energija, ukupna energija, amplituda, vrijeme, pritisak i temperatura automatski snimaju na ugrađenu SD karticu. Ovo vam omogućava da revidirate i uporedite prethodne serije sonikacije i da optimizirate proces pilinga grafena do najveće efikasnosti.
Hielscher Ultrasonics sistemi se koriste širom svijeta za proizvodnju visokokvalitetnih listova grafena i grafen oksida. Hielscher industrijski ultrasonicatori mogu lako pokrenuti visoke amplitude u kontinuiranom radu (24/7/365). Amplitude do 200 µm mogu se lako kontinuirano generirati sa standardnim sonotrodama (ultrazvučne sonde / trube i kaskatrodeTM). Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Zbog svoje robusnosti i niskog održavanja, naši ultrazvučni sistemi za piling se obično instaliraju za teške primjene i u zahtjevnim okruženjima.
Hielscher ultrazvučni procesori za eksfolijaciju grafena već su instalirani širom svijeta u komercijalnim razmjerima. Kontaktirajte nas sada da razgovaramo o procesu proizvodnje grafena! Naše iskusno osoblje će rado podijeliti više informacija o procesu pilinga, ultrazvučnim sistemima i cijenama!
Da biste saznali više o ultrazvučnoj sintezi, disperziji i funkcionalizaciji grafena, kliknite ovdje:
- Proizvodnja grafena
- Graphene Nanoplatelets
- Piling grafena na bazi vode
- grafena disperzibilnog u vodi
- grafen oksid
- Xenes
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 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 | UIP4000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Šta je 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.
Brza i sigurna ultrazvučna priprema grafena bez defekata u velikim količinama 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 superiorna mehanička svojstva (Youngov modul od 1 TPa i intrinzičnu čvrstoću od 130 GPa), nudi veliku elektronsku i toplotnu provodljivost, pokretljivost nosioca naboja, transparentnost i nepropusnost je za gasove. Zbog ovih karakteristika materijala, grafen se koristi kao aditiv za ojačavanje koji kompozitima daje snagu, provodljivost, itd. Da bi se kombinovale karakteristike grafena sa drugim materijalima, grafen se mora dispergovati u jedinjenje ili se nanosi kao tankoslojni premaz. na podlogu.
Ultrazvuk visokih performansi! Hielscherov asortiman proizvoda pokriva cijeli spektar od kompaktnog laboratorijskog ultrazvučnog preko stolnih jedinica do potpuno industrijskih ultrazvučnih sistema.