Tecnologia d'ultrasons Hielscher

Ultrasonic grafè Preparació

el grafè

El grafit es compon de dues fulles tridimensionals d'àtoms de carboni disposats hexagonalment sp2-hibridats - el grafè - que s'apilen regularment. fulles d'àtoms-prima del grafè, que formen grafit per interaccions no enllaçants, es caracteritzen per una zona extrema de superfície més gran. El grafè mostra una extraordinària força i la fermesa al llarg dels seus nivells basals que arriba amb aprox. 1.020 GPa gairebé el valor d'intensitat de diamant.
El grafè és l'element estructural bàsica d'alguns al·lòtrops, incloent, a més de grafit, també nanotubs de carboni i ful·lerens. S'utilitza com a additiu, el grafè pot millorar dràsticament les, i propietats elèctriques, físiques, mecàniques de barrera de compostos de polímers amb càrregues extremadament baixes. (Xu, Suslick 2011)
Per les seves propietats, el grafè és un material de superlatius i prometedor per a les indústries que produeixen composites, recobriments o microelectrònica. Geim (2009) descriu el grafè com a supermaterial de manera concisa en el paràgraf següent:
"És el material més prim de l'univers i el mes fort mesurat. Els seus portadors de càrrega presenten una gegantina mobilitat intrínseca, tenen la massa efectiva més petita (és zero) i poden recórrer distàncies de micròmetre llunyanes sense dispersar-les a temperatura ambient. El grafè pot suportar densitats de corrent 6 ordres més altes que el coure, mostra conductivitat tèrmica rècord i rigidesa, és impermeable als gasos i reconcilia qualitats contradictòries com la fragilitat i la ductilitat. El transport electrònic en el grafeno es descriu per una ecuación de tipus Dirac, que permet investigar fenòmens quàntics relativistes en un experiment de base. "
A causa de les característiques d'aquests materials en circulació, el grafè és un dels materials més prometedors i es troba al centre de la investigació de nanomaterials.

Graphene consists in carbon atoms which are arranged in a regular hexagonal pattern. i

A causa del seu excepcional resistència del material i la fermesa, el grafè és el material més prometedors de la nanociència. © Creative 2010AlexanderAIUS

Sol · licitud d'informació




Tingueu en compte la nostra Política de privacitat.


L'ultrasò d'alta potència

Quan es sonicen líquids a altes intensitats, les ones sonores que es propaguen en els mitjans líquids resulten en alternar cicles d'alta pressió (compressió) i baixa pressió (rarefacció), amb taxes depenent de la freqüència. Durant el cicle de baixa pressió, les ones ultrasòniques d'alta intensitat creen petites bombolles de buit o buits en el líquid. Quan les bombolles aconsegueixen un volum en què ja no poden absorbir energia, es col · loquen violentament durant un cicle d'alta pressió. Aquest fenomen es denomina cavitació. Durant la implosió s'arriba localment a temperatures molt elevades (aprox. 5,000 K) i pressions (aproximadament 2.000 lat). La implosió de la cavitació bombolla també resulta en dolls de líquid de fins a 280m / s de velocitat. (Suslick 1998) La cavitació generat per ultrasons provoca efectes químics i físics, que es poden aplicar als processos.
La cavitació induïda sonoquímica proporciona una interacció única entre l'energia i la matèria, amb els punts calents dins de les bombolles de ~ 5000 K, pressions de ~ taxes de 1000 bar, de calefacció i refrigeració de >1010K s-1; aquestes condicions extraordinàries permeten l'accés a una gamma d'espai de reacció química normalment no és accessible, el que permet la síntesi d'una àmplia varietat de materials nanoestructurats inusuals. (Bang, 2010)

High power ultrasound generates intense cavitational forces in liquid

cavitació ultrasònica en el líquid

Ultrasonic Preparació de grafè

Atès que es coneixen les característiques extraordinàries del grafito, s'han desenvolupat diversos mètodes per a la seva preparació. Al costat de la producció química de grafens a partir d'òxid de grafè en processos de diversos passos, per als quals es necessiten agents oxidants i reductors molt forts. A més, el grafè preparat sota aquestes dures condicions químiques sovint contenen una gran quantitat de defectes fins i tot després de la reducció en comparació amb els gràfics obtinguts a partir d'altres mètodes. Tanmateix, l'ecografia és una alternativa provada per produir grafè d'alta qualitat, també en grans quantitats. Els investigadors han desenvolupat maneres lleugerament diferents d'ecografia, però, en general, la producció de grafè és un procés senzill d'un pas.
Per donar un exemple d'una ruta de producció de grafè específica: s'afegeix grafit en una barreja d'àcid diluït orgànic, alcohol i aigua, i després la barreja s'exposa a irradiació ultrasònica. L'àcid funciona com una “falca molecular” que separa làmines de grafè del grafit pares. Mitjançant aquest senzill procés, es crea una gran quantitat de danys, el grafè d'alta qualitat es dispersa en aigua. (An et al. 2010)

Hielscher covers the full range from compact lab ultrasonicators to bench-top size and full commercial production size systems.

equips d'ultrasons de gran abast i fiable per a múltiples aplicacions, com ara l'homogeneïtzació, extracció, processament de materials nano, o sonoquímica.

El grafè directa Exfoliació

Ultrasò permet la preparació de grafenos en dissolvents orgànics, agents tensioactius / solucions d'aigua, o líquids iònics. Això vol dir que l'ús de fortes agents oxidants o reductors pot ser evitat. Stankovich et al. (2007) van produir grafè per exfoliació sota ultrasonicación.
Les imatges AFM d'òxid de grafè exfoliada pel tractament amb ultrasons a concentracions d'1 mg / ml en aigua sempre van revelar la presència de fulles amb un gruix uniforme (~ 1 nm; exemple es mostra a la figura 1 a continuació.). Aquestes mostres així exfoliades-d'òxid de grafè no contenien fulles ja sigui més gruixut o més prim que 1 nm, que condueix a una conclusió que l'exfoliació completa d'òxid de grafè cap avall als fulls d'òxid de grafè individuals va ser de fet aconsegueix en aquestes condicions. (Stankovich et al. 2007)

Hielscher's High Power Ultrasound Devices are the ideal tool to prepare graphene - both in lab scale as well as in full commercial process streams

Fig. 1: imatge AFM de fulles GO exfoliades amb tres perfils d'altura adquirits en diferents llocs (Stankovich et al 2007).

Preparació de làmines de grafè

Stengl et al. han demostrat la preparació amb èxit de làmines de grafè purs en grans quantitats durant la producció de no estequiomètrica nanocomposit TiO2 grafè per hidròlisi tèrmica de suspensió amb nanolàmines grafè i titania peroxo complex. Els nanolàmines grafè pures es produeixen a partir de grafit natural usant un camp de cavitació d'alta intensitat generada pel processador d'ultrasons de Hielscher UIP1000hd en un reactor ultrasònic d'alta pressió a 5 bar. Les làmines de grafè obtinguts, amb alta superfície específica i propietats electròniques úniques, es poden utilitzar com un bon suport per TiO2 per millorar l'activitat fotocatalítica. El grup de recerca afirma que la qualitat de la grafè preparat per ultrasons és molt més gran que el grafè obtingut pel mètode de Hummer, on s'exfolia i s'oxida grafit. Com les condicions físiques en el reactor ultrasònic poden ser controlades amb precisió i per la suposició que la concentració de grafè com un dopant variarà en l'interval d'1 – 0El 0,001%, la producció de grafè en un sistema continu en escala comercial és possible.

Preparació per tractament ultrasònic de grafè òxid

Oh et al. (2010) han mostrat una ruta preparació usant irradiació ultrasònica per produir òxid de grafè (GO) capes. Per tant, van suspendre vint mil·ligrams de pols d'òxid de grafè en 200 ml d'aigua desionitzada. Per agitació que van obtenir una suspensió de color marró no homogènia. Les suspensions resultants es van sotmetre a ultrasons (30 min, 1,3 × 105J), i després de l'assecat (a 373 K) l'òxid de grafè tractada per ultrasons es va produir. Una espectroscòpia de FTIR va mostrar que el tractament ultrasònic no va canviar els grups funcionals d'òxid de grafè.

Ultrasonically exfoliated graphene oxide nanosheets

Fig. 2: imatge SEM de nanolàmines grafè obtinguts per ultrasonicación (Oh et al 2010).

Funcionalització de làmines de grafè

Xu i Suslick (2011) descriuen un mètode d'una etapa convenient per a la preparació de poliestirè funcionalitzat grafit. En el seu estudi, s'utilitzen escates de grafit i estirè com a matèria primera bàsica. Per sonicació de les escates de grafit en estirè (un monòmer reactiu), la irradiació d'ultrasò va donar lloc a la exfoliació mecanoquımico de flocs de grafit en una sola capa i làmines de grafè pocs capes. Alhora, s'ha aconseguit la funcionalització de les làmines de grafè amb les cadenes de poliestirè.
El mateix procés de funcionalització es pot dur a terme amb altres monòmers de vinil per a materials compostos basats en grafè.

Preparació de nanocintas

El grup de recerca de Hongjie Dai i els seus col·legues de la Universitat de Stanford van trobar una tècnica per preparar nanoribbons. Les cintes de grafè són tires fines de grafè que poden tenir característiques encara més útils que les fulles de grafè. Amb amplades d'uns 10 nm o més petits, el comportament de les cintes de grafè és similar a un semiconductor, ja que els electrons es veuen obligats a moure's longitudinalment. D'aquesta manera, pot ser interessant utilitzar nanoribbons amb funcions semiconductores en electrònica (per exemple, per a xips d'ordinador més petits i més ràpids).
Dai et al. preparació de bases nanocintas grafè en dos passos: en primer lloc, que va afluixar les capes de grafè de grafit per un tractament tèrmic de 1000ºC durant un minut en 3% d'hidrogen en el gas argó. A continuació, el grafè va ser dissolta en tires utilitzant ultrasons. Els nanocintas obtinguts per aquesta tècnica es caracteritzen per molt 'més suau’ vores que les realitzades per mitjans litogràfics convencionals. (Jiao et al. 2009)

Preparació de Nanoscrolls de carboni

Nanoscrolls de carboni són similars als nanotubs de carboni de paret múltiple. La diferència a MWCNTs és les puntes obertes i la plena accessibilitat de les superfícies interiors a altres molècules. Ells es poden sintetitzar químicament en humit intercalant grafit amb el potassi, exfoliants en aigua i sonicació de la suspensió col·loïdal. (Cf. Viculis et al. 2003) La ultrasonicación ajuda al desplaçament cap amunt de les monocapes de grafè en nanoscrolls de carboni (veure fig. 3). Una alta eficiència de conversió del 80% s'ha aconseguit, això fa que la producció de nanoscrolls interessants per a aplicacions comercials.

Ultrasonically assisted synthesis of carbon nanoscrolls

síntesi ultrasònic de carboni Nanoscrolls (Viculis et al., 2003): Fig.3

Les dispersions de grafè

El grau de dispersió del grafè i l'òxid de grafè és summament important per utilitzar el ple potencial del grafè amb les seves característiques específiques. Si el grafè no es dispersa sota condicions controlades, la polidispersitat de la dispersió del grafeno pot conduir a un comportament imprevisible o no idèntic una vegada que s'incorpora als dispositius ja que les propietats del grafè varien en funció dels seus paràmetres estructurals. La sonicació és un tractament provat per afeblir les forces de la capa d'intercanvi i permet un control precís dels paràmetres de processament importants.
"Per òxid de grafè (GO), que normalment s'exfolia com làmines d'una sola capa, un dels principals reptes de polidispersitat sorgeix de les variacions en l'àrea lateral de les escates. S'ha demostrat que la mida lateral mitjana de GO es pot desplaçar des de 400 nm a 20 micres canviant el material de grafit de partida i les condicions de sonicació. "(Green et al. 2010)
l'ultrasò Dispersió de grafè resultant en suspensions fines i fins i tot col·loïdals s'ha demostrat en diversos altres estudis. (Liu et al. 2011 / nadó et al. 2011 / Choi et al., 2010)
Zhang et al. (2010) han demostrat que per l'ús d'ultrasons una dispersió grafè estable amb una alta concentració d'1 mg · s'aconsegueixen ml-1 i làmines de grafè relativament purs, i les làmines de grafeno com preparats exhibeixen una alta conductivitat elèctrica de 712 S · m-1. Els resultats dels espectres d'infraroig per transformada de Fourier i l'examen espectres Raman indicat que el mètode de preparació ultrasònic té menys mal a les estructures químiques i cristal·lines de grafè.

aplicacions potencials

Aplicacions biològiques: un exemple per a la preparació de grafè ultrasònic i el seu ús biològic es dóna en l'estudi "Síntesi de Nanocompòsits Grafeno-Or a través de la Reducció Sonochemica" de Park et al. (2011), on es va sintetitzar un nanocompositiu a partir de nanopartícules reduïdes d'òxid de grafeno (Au) alhora que es reduïen els ions d'or i es dipositaven nanopartícules d'or a la superfície del reduït òxid de grafeno simultàniament. Per facilitar la reducció dels ions d'or i la generació d'funcionalitats d'oxigen per a l'ancoratge de les nanopartícules d'or al reduït òxid de grafè, es va aplicar la irradiació d'ultrasons a la barreja de reactius. La producció de biomolècules modificades per l'encapsulament de l'or mostra el potencial de la irradiació ultrasònica de composites de grafè i grafè. Per tant, l'ecografia sembla ser una eina adequada per preparar altres biomolècules.
Electrònica: El grafè és un material altament funcional per al sector de l'electrònica. Per l'alta mobilitat dels portadors de càrrega dins de la xarxa del grafè, el grafè és de major interès per al desenvolupament de components electrònics ràpids en el d'alta freqüència en la tecnologia.
Sensors: El grafè ultrasónicamente exfoliada es pot utilitzar per a la producció de sensors conductometricos altament sensibles i selectius (la resistència canvia ràpidament >10 000% al vapor d'etanol saturat), i ultracondensadors amb extremadament alta capacitància específica (120 F / g), densitat de potència (105 kW / kg), i la densitat d'energia (9,2 Wh / kg). (An et al. 2010)
Alcohol: Per a la producció d'alcohol: Una aplicació de costat pot ser l'ús de grafè en la producció d'alcohol, hi ha membranes de grafè pot usar-se per destil·lar alcohol i per fer begudes d'aquesta manera alcohòliques forts.
Com el més fort, més elèctricament conductor i un dels materials més lleugers i flexibles, el grafè és un material prometedor per cèl·lules solars, la catàlisi, pantalles transparents i emissius, ressonadors micromecànics, transistors, com a càtode en piles de liti-aire, per als detectors químics ultrasensibles , recobriments conductors, així com l'ús com a additiu en compostos.

Contacti amb nosaltres / Demana més informació

Parlar amb nosaltres sobre els seus requisits de processament. Anem a recomanar els paràmetres de configuració i de processament més adequats per al seu projecte.





Tingueu en compte que Política de privacitat.


Descarregar l'article complet en format PDF aquí:
Assistida per ultrasons preparació de grafè

Literatura / Referències

  • An, X.; Simmons, T.; Shah, R.; Wolfe, C.; Lewis, K. M.; Washington, M.; Nayak, S. K.; Talapatra, S.; Kar, S. (2010): Estable dispersions aquoses de no covalent funcionalitzat grafè a partir del grafit i les seves aplicacions multifuncionals d'alt rendiment. Nano Letters 10/2010. pp. 4295-4301.
  • Nadó, T. Th.; Ramaprabhu, S. (2011): transferència de calor per convecció millorada usant grafè nanofluidos dispersa. Cartes d'investigació a nanoescala 6: 289, 2011.
  • Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Aplicacions de ultrasò per a la síntesi de materials nanoestructurats. Materials Avançats 22/2010. pp. 1039-1059.
  • Choi, E. I.; Han, T. H.; Hong, J.; Kim, J. I.; Llegeix, S. H.; Kim, H. W.; Kim, S. O. (2010): funcionalització no covalent de grafè amb polímers finals-funcional. Diari de Química dels Materials 20 / 2010. pp. 1907-1912.
  • Geim, A. K. (2009): El grafè: situació i perspectives. Ciència 324/2009. pp. 1530-1534. http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0906/0906.3799.pdf
  • Green, A. A.; Hersam, M. C. (2010): Mètodes emergents per Produir monodisperses de grafè dispersions. Journal of Physical Chemistry Letters 2010. pp. 544-549.
  • Guo, J.; Zhu, S.; Chen, Z.; Li, I.; Yu, Z.; Liu, Z.; Liu, Q.; Li, J.; Feng, C.; Zhang, D. (2011): síntesi sonoquímica de TiO (2 nanopartícules sobre grafè per al seu ús com a fotocatalitzador
  • Hassan, K. ul; Sandberg, el Sr. O.; Nur, O.; Willander, M. (2011): estabilització Policatión de suspensions de grafè. Cartes d'investigació a nanoescala 6: 493, 2011.
  • Liu, X.; Pa, L.; Lv, T.; Zhu, G.; Lu, T.; Sun, Z.; Sun, C. (2011): la síntesi assistida per microones de materials compostos d'òxid de grafè reduït de TiO2-per a la reducció fotocatalítica de Cr (VI). Avenços RSC 2011.
  • Malignes, J.; Englert, JM.; Hirsch, A.; Guldi, D. M. (2011): Wet Química de grafè. La Societat d'interfície electroquímica, Primavera 2011. pp. 53-56.
  • Oh, W. Ch.; Chen, M. L.; Zhang, K.; Zhang, F. J.; Jang, W. K. (2010): L'efecte del tractament tèrmic i d'ultrasons sobre la formació de nanolàmines grafè-òxid. Revista de la Societat Coreana 4/56 Física, 2010. pp. 1097-1102.
  • Sametband, M.; Shimanovich, U.; Gedanken, A. (2012): microesferes d'òxid de grafè preparats per un mètode simple d'ultrasons, d'un sol pas. Nova Revista de Química 36/2012. pp. 36-39.
  • Savoskin, M. V.; Mochalin, V. N.; Yaroshenko, A. P.; Lazareva, N. I.; Konstanitinova, T. I.; Baruskov, I. V.; Prokofiev, I. G. (2007): nanoscrolls de carboni produït a partir de compostos d'intercalació de grafit de tipus acceptor. 45/2007 de carboni. pp. 2797-2800.
  • Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piñer, R. D.; Kohlhaas, K. A.; Kleinhammes, A.; Jia, I.; Wu, I.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. (2007): Síntesi de nanolàmines basats en el grafè a través de la reducció química de l'òxid de grafit exfoliat. 45/2007 de carboni. pp. 1558-1565.
  • Stengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-El grafè nanocompostos Els fotocatalitzadors com d'alt rendiment. En: Revista de Química Física C 115/2011. pp. 25.209-25.218.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4ª ed. J. Wiley & Sons: Nova York, 1998, vol. 26, pp. 517-541.
  • Viculis, L. M.; Mack, J. J.; Kaner, R. B. (2003): Una ruta química de carboni El Nanoscrolls. Ciència, 299/1361; 2003.
  • Xu, H.; Suslick, K. S. (2011): sonoquímica Preparació de funcionalitzats grafenos. En: Journal of the American Chemical Society 133/2011. pp. 9148-9151.
  • Zhang, W.; Ell, W.; Jing, X. (2010): Preparació d'un estable grafè dispersió amb Alta Concentració per ultrasò. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. pp. 10.368-10.373.
  • Jiao, L.; Zhang, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Dai, H. (2009): els nanoribbons grafè estretes de nanotubs de carboni. Naturalesa 458/2009, pp. 877-880.
  • Park, G.; Llegeix, K. G.; Llegeix, S. J.; Park, T. J.; Wi, R.; Kim, D. H. (2011): Síntesi de grafè-Or nanocompostos a través de Reducció sonochemical. Journal of nanociència i la nanotecnologia 7/11, 2011. pp. 6095-6101.
  • Zhang, RQ; De Sakar, A. (2011): Estudis teòrics sobre Formació, Tuning de propietats i adsorció de segments de grafeno. A: M. Sergey (ed.): Física i Aplicacions de la Teoria del grafè. InTech 2011. pp. 3-28.