Výroba ultrazvukových grafů

Ultrazvuková syntéza grafenu prostřednictvím grafitového exfoliace je nejspolehlivější a nejvýhodnější metodou pro výrobu vysoce kvalitních grafitových archů v průmyslovém měřítku. Vysoce výkonné ultrazvukové procesory Hielscher jsou přesně kontrolovatelné a mohou generovat velmi vysoké amplitudy v 24/7 provozu. To umožňuje připravit vysoké objemy panenských grafitových souborů v obličejové a kontrolovatelné velikosti.

Ultrazvuková Příprava grafenu

grafenu listVzhledem k tomu, že jsou známy mimořádné vlastnosti grafitu, bylo vyvinuto několik metod jeho přípravy. Vedle chemické výroby grafenů z grafénového oxidu ve vícestupňových procesech, pro které je zapotřebí velmi silných oxidačních a redukčních činidel. Kromě toho grafen, připravený za těchto tvrdých chemických podmínek, často obsahuje velké množství defektů i po redukci v porovnání s grapheny získanými jinými metodami. Ultrazvuk je osvědčenou alternativou k výrobě vysoce kvalitního grafenu, a to i ve velkém množství. Výzkumníci vyvinuli poněkud odlišné způsoby pomocí ultrazvuku, ale obecně je výroba grafenu jednoduchým jednostupňovým procesem.
Na příklad specifické výrobní grafenu trasy: grafit se přidává ve směsi zředěné organické kyseliny, alkoholu a vody, a tato směs se potom vystaví působení ultrazvuku. Kyselina funguje jako “molekulární klín” která odděluje listy grafenu z nadřazeného grafitu. Tímto jednoduchým procesem, se vytvoří velké množství nepoškozené, vysoce kvalitní grafenu dispergované ve vodě. (An a kol. 2010)

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

Obr. 1: obraz z AFM exfoliovaných GO listů s třech výškových profilů získaných v různých místech (Stankovičovo et al 2007).

UIP2000hdT-2kW ultraultrasonizátor pro zpracování kapalinou.

UIP2000hdT – 2kW výkonný ultraonizátor pro grafitovou exfoliaci

Žádost o informace





Grafen Direct Exfoliace

Ultrazvuk umožňuje přípravu graphenes v organických rozpouštědel, povrchově aktivních / vodné roztoky, nebo iontových kapalin. To znamená, že se lze vyhnout použití silných oxidačních nebo redukčních prostředků. Stankovičovo a kol. (2007) produkoval grafenu pomocí peelingu podle ultrazvuku.
AFM obrazy oxidu grafenu expandovaného podle ultrazvuku v koncentracích 1 mg / ml ve vodě, vždy odhalila přítomnost listů s rovnoměrnou tloušťkou (~ 1 nm, příklad je znázorněn na obrázku 1 níže.). Tyto dobře exfoliované vzorky oxidu grafenu obsaženy žádné listy buď silnější nebo tenčí než 1 nM, což vede k závěru, že kompletní exfoliace oxidu grafenu až po jednotlivé oxidu grafenu listů skutečně dosaženo za těchto podmínek. (Stankovičovo et al., 2007)

Příprava grafenu listy

Stengl a kol. ukázaly úspěšnou přípravu čistých grafenu listů ve velkém množství během výroby nestechiometrických TiO2 grafenu nanocomposit tepelným hydrolýzou suspenze s grafenu nanosheets a titanu peroxokomplexu. Čisté grafenové nanosheets byly vyrobeny z přírodního grafitu za použití vysoké intenzitě kavitační pole generované ultrazvukovým procesorem Hielscher je UIP1000hd ve vysokotlaké ultrazvukové reaktoru při 5 bar. Grafenu plechy získané, s vysokým specifickým povrchem a jedinečné elektronických vlastností, může být použit jako dobrou podporu pro TiO2 zvýšit fotokatalytickou aktivitu. Výzkumná skupina tvrdí, že kvalita ultrazvukem připraveného grafenu, je mnohem vyšší, než grafenu získaného Hummer metodou, kde se grafit expandovaného a oxidované. Jako fyzikální podmínky v ultrazvukové reaktoru může být přesně řízena a za předpokladu, že koncentrace grafenu jako příměs se bude měnit v rozmezí od 1 – 00,001%, výroba grafenu v kontinuálním systému, na obchodní měřítko je možné.

Příprava působením ultrazvuku grafenu oxidu

Oh a kol. (2010) ukázali, pro přípravu trasy pomocí ultrazvuku pro výrobu oxidu grafenu (GO) vrstvy. Proto se suspenduje pětadvacet miligramů prášku oxidu grafenu ve 200 ml deionizované vody. Mícháním se získá nehomogenní hnědé suspenze. Výsledné suspenze se podrobí působení ultrazvuku (30 min, 1,3 x 105J), a po vysušení (373 K) zpracuje s ultrazvukem oxid grafenu byl vyroben. FTIR spektroskopie ukázala, že se zpracování ultrazvukem se nemění funkční skupiny oxidu grafenu.

Ultrazvukově expandovaný nanosheets oxidu graphene

Obr. 2: SEM grafenu nanosheets získaných ultrazvukem (Oh et al 2010).

Ultrazvuková syntéza grafenu s Hielscherem UIP4000hdT

UIP4000hdT – 4 kW ultraelektrický ultrasonizátor

Funkcionalizace grafenu Sheets

Xu a Suslick (2011) popisují pohodlný způsob v jednom kroku pro přípravu funkcionalizovaných polystyrenu grafitu. V jejich studii se používá grafitové vločky a styrenu jako základní suroviny. Sonifikací grafitové vločky ve styrenu (reaktivní monomer), ultrazvukový ozáření vedla k mechanochemické odlupování grafitových vloček do jednovrstvých a málo vrstvou grafenu listů. Současně bylo dosaženo funkcionalizace grafenu plechů s polystyrenu řetězci.
Stejný proces funkcionalizace se může provádět s jinými vinylovými monomery pro kompozity na bázi grafenu.

Příprava Nanoribbons

Výzkumná skupina Hongjie Dai a jeho kolegové ze Stanfordské univerzity našli techniku ​​pro přípravu nanoribonů. Grapénové pásky jsou tenké pásy grafenu, které mohou mít ještě užitečnější vlastnosti než grafenové desky. Při šířkách asi 10 nm nebo méně je chování grapénových stuh podobné jako u polovodičů, protože elektrony jsou nuceny pohybovat podélně. Tím by mohlo být zajímavé používat nanoribony s polovodičovými funkcemi v elektronice (např. Pro menší, rychlejší počítačové čipy).
Dai et al. Příprava grafenu nanoribbons bazí ve dvou krocích: za prvé se uvolnil vrstvy grafenu z grafitu o tepelné zpracování 1000 ° C po dobu jedné minuty při 3% vodíku v argonu. Poté grafenu byla rozdělena do pásů použitím ultrazvuku. Tyto nanoribbons získané touto technikou se vyznačují mnohem ‚hladší’ hrany způsobem než pomocí běžných litografických prostředky. (Jiao a kol., 2009)

Příprava uhlíkových Nanoscrolls

Uhlíkové Nanoscrolls jsou podobné více uhlíkové nanotrubice. Rozdíl MWCNTs je otevřené hroty a plná přístupnost vnitřních ploch na jiné molekuly. Mohou být syntetizovány za mokra chemicky interkalační grafit s draslíkem, exfoliační ve vodě a působení zvukové energie na koloidní suspenze. (Srovnej Viculis et al., 2003) ultrazvuku napomáhá rolování nahoru grafenu monovrstev do uhlíku nanoscrolls (viz obr. 3). Vysoká účinnost konverze 80% bylo dosaženo, která dělá produkci nanoscrolls zajímavé pro komerční využití.

Ultrazvukem asistované syntéza uhlíku nanoscrolls

Obr.3: Ultrazvukový Příprava uhlíkových Nanoscrolls (Viculis et al 2003).

Žádost o informace





grafen disperze

Disperzní stupeň graphenu a oxidu grafenového je velmi důležitý pro využití plného potenciálu grafenu s jeho specifickými vlastnostmi. Není-li graphen dispergován za řízených podmínek, polydisperzita disperze grafenu může vést k nepředvídatelnému nebo neideálnímu chování, jakmile je začleněna do zařízení, protože vlastnosti grafenu se mění v závislosti na jeho strukturních parametrech. Sonication je osvědčená léčba, která oslabí mezivrstvé síly a umožňuje přesné ovládání důležitých parametrů zpracování.
„Pro oxid grafenu (GO), který je typicky expandovaného jako jednovrstvých fólií, je jedním z hlavních problémů, polydisperzitu vyplývá ze změn v boční oblasti vloček. Ukázalo se, že střední velikost boční GO může být posunut od 400 nm do 20 um změnou grafit výchozí látky a sonikace podmínek.“(Green et al., 2010)
ultrazvuková dispergační grafenu, což vede k jemné a rovnoměrné koloidní suspenze byla prokázána v různých jiných studiích. (Liu et al. 2011 / Dítě et al. 2011 / Choi et al. 2010)
Zhang a kol. (2010) ukázali, že pomocí použití ultrazvuku stabilní grafenu disperze s vysokou koncentrací 1 mg-ml-1 a ​​relativně čisté grafenové listy jsou dosaženy, a jako připravených grafenové desky vykazují vysokou elektrickou vodivost 712 S · m-1, Výsledky Fourierova transformovaného infračerveného spektra a Ramanova spektra vyšetření ukázala, že ultrazvuková metoda přípravy má menší poškození chemických a krystalických strukturách grafenu.

Vysoce výkonné Ultrasoniátory

Pro výrobu vysoce kvalitních grafitových nanolistů se vyžaduje spolehlivé vysoce výkonné ultrazvukové zařízení. Amplituda, tlak a teplota základní parametry, které jsou rozhodující pro reprodukovatelnost a konzistentní jakost výrobku. Hielscher Ultrasonika’ ultrazvukové procesory jsou výkonné a přesně kontrolovatelné systémy, které umožňují přesné nastavení parametrů procesu a nepřetržitý Ultrazvukový výstup s vysokým výkonem. Hielscher Ultrasonika’ průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až do 200 μm lze snadno spustit v 24/7 provozu. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici vlastní ultrazvukové sonotrody. Robustnost Hielscherova ultrazvukového zařízení umožňuje 24/7 provoz při vysoké službě a v náročném prostředí.
Naši zákazníci jsou spokojeni s vynikající robustností a spolehlivostí systémů Hielscher ultrazvuku. Instalace v oblastech náročné aplikace, náročných prostředí a 24/7 provoz zajišťuje efektivní a hospodárné zpracování. Ultrazvuková zesilování procesu zkracuje dobu zpracování a dosahuje lepších výsledků, tedy vyšší kvality, vyšších výnosů, inovačních výrobků.
Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators:

Hromadná dávka průtok Doporučené Devices
00,5 až 1,5 ml na VialTweeter
1 až 500 ml 10 až 200 ml / min UP100H
10 až 2000ml 20 až 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
00,1 až 20L 00,2 až 4 litry / min UIP2000hdT
10 až 100L 2 až 10 l / min UIP4000hdT
na 10 až 100L / min UIP16000
na větší hrozen UIP16000

Kontakt / požádat o další informace

Promluvte si s námi o vaše požadavky na zpracování. Doporučíme nejvhodnější nastavení a zpracování parametrů pro váš projekt.





Uvědomte si prosím naši Zásady ochrany osobních údajů,


Stáhnout celý článek ve formátu PDF zde:
Ultrazvukem asistované přípravu grafenu


Hielscher Ultrazvuková zařízení vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizéry pro disperzi, napodobování a extrakci buněk.

Vysoce energetické ultrazvukové homogenizéry od laboratoře k pilotnímu a průmyslovému měřítku.

Literatura / Reference

  • Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliované CrPS4 se slibnou fotokonduktivitou. Malé Vol.16, Issue1. 9. ledna 2020.
  • An, X .; Simmons, T .; Shah, R .; Wolfe, C .; Lewis, K. M .; Washington, M .; Nayak, S. K .; Talapatra, S .; Kar, S. (2010): Stabilní vodné disperze nekovalentně funkcionalizovaného grafenu z grafitu a jejich multifunkční vysoce výkonné aplikace. Nano Letters 10/2010. str. 4295-4301.
  • Baby, T. Th .; Ramaprabhu, S. (2011): Zvýšená konvekční přenos tepla pomocí graphene rozptýleny nanofluids. Nanočástice Research Letters 6: 289, 2011.
  • Bang, J. H .; Suslick, K. S. (2010): Použití ultrazvuku k syntéze nanostrukturovaných materiálů. Advanced Materials 22/2010. str. 1039-1059.
  • Choi, E. Y .; Han, T. H .; Hong, J .; Kim, J. E .; Lee, S. H .; Kim, H. W .; Kim, S. O. (2010): Nekovalentní funkcionalizace grafenu s koncovými funkčními skupinami polymerů. Journal of Materials Chemistry 20/2010, str. 1907-1912.
  • Geim, A. K. (2009): grafenu: stav a vyhlídky. Science 324/2009. str. 1530-1534. http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0906/0906.3799.pdf
  • Green, A. A .; Hersam, M. C. (2010): nových metod pro výrobu monodisperzní grafenu disperzí. Journal of Physical Chemistry Letters 2010, str. 544-549.
  • Guo, J .; Zhu, S .; Chen, Z .; Li, Y .; Yu, Z .; Liu, Z .; Liu, Q .; Li, J .; Feng, C .; Zhang, D. (2011): sonochemická syntéza TiO (2 nanočástic na grafenu pro použití jako fotokatalyzátoru
  • Hasan, K. ul; Sandberg, M. O .; Nur, O .; Willander, M. (2011): stabilizace polykationtové grafenu suspenzí. Nanočástice Research Letters 6: 493, 2011.
  • Liu, X .; Pan, L .; Lv, T .; Zhu, G .; Lu, T .; Sun, Z .; Sun, C (2011): Mikrovlnná asistované syntézy oxidu grafenu kompozitů TiO2 sníženým pro fotokatalytické redukci Cr (VI). RSC Advances 2011.
  • Malig, J .; Englert, J. M .; Hirsch, A .; Guldi, D. M. (2011): Mokrá Chemie grafenu. Elektrochemický společnost rozhraní, jaro 2011, str. 53-56.
  • Oh, W. Ch .; Chen, M. L .; Zhang, K .; Zhang, F. J .; Jang, W. K. (2010): Vliv Thermal a působení ultrazvuku na formování Nanosheets grafenu oxidů. Journal of korejské fyzické společnosti 4/56, 2010. str. 1097 - 1102.
  • Sametband, M .; Shimanovich, U .; Gedanken, A. (2012): grafenu mikrokuličky oxidu připravené jednoduchým, jednostupňovým způsobem ultrazvuku. New Journal of Chemistry 36/2012. str. 36-39.
  • Savoskin, M. V .; Mochalin, V. N .; Yaroshenko, A. P .; Lazareva, N. I .; Konstanitinova, T. E .; Baruskov, I. V .; Prokofjev, I. G. (2007): Uhlíkové nanoscrolls vyrobené z akceptorové typu sloučenin grafitu interkalační. Carbon 45/2007. str. 2797-2800.
  • Stankovičovo, S .; Dikin, D. A .; Piner, R. D .; Kohlhaas, K. A .; Kleinhammes, A .; Jia, Y .; Wu, Y .; Nguyen, S. T .; Ruoff, R. S. (2007): Syntéza nanosheets grafenu bázi chemickou redukci expandovaného oxidu grafitu. Carbon 45/2007. str. 1558-1565.
  • Stengl, V .; Popelková, D .; Vláčil, P. (2011): TiO2-grafenu Nanokompozitní jako High Performance fotokatalyzátory. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. str. 25209-25218.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4. vydání. J. Wiley & Sons: New York, 1998, sv. 26, str. 517-541.
  • Viculis, L. M .; Mack, J. J .; Kaner, R. B. (2003): chemickou cestou na uhlík Nanoscrolls. Science, 299/1361; Z roku 2003.
  • Xu, H .; Suslick, K. S. (2011): sonochemická Příprava funkcionalizovaných Graphenes. In: Journal of American Chemical Society 133/2011. str. 9148 až 9151.
  • Zhang, W .; Ten, W .; Jing X. (2010): Příprava stabilní grafenu disperze s vysokou koncentrací ultrazvukem. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. str. 10368-10373.
  • Jiao, L .; Zhang, L .; Wang, X .; Diankov, G .; Dai, H. (2009): Úzké grafenové nanoribbons z uhlíkových nanotrubic. Nature 458/2009, str. 877-880.
  • Park, G .; Lee, K. G .; Lee, S. J .; Park, T. J .; Wi, R .; Kim, D. H. (2011): Syntéza grafenu-Gold nanokompozitů pomocí sonochemická Reduction. Journal of Nanoscience a nanotechnologie 7/11, 2011. str. 6095 až 6101.
  • Zhang, RQ; De Sakar, A. (2011): Teoretické studie o formování, ladění a adsorpci grafenových segmentů. In: M. Sergey (ed.): Fyzika a aplikace graphenu - teorie. InTech 2011. str. 3-28.


Fakta Worth Knowing

Co je to Grafene?

Grafit se skládá ze dvou rozměrových listů sp2-hybridizován, hexagonálně uspořádaných uhlíkových atomů - grafenu -, které jsou pravidelně nad sebou. atom tenké listy grafenu je, které tvoří grafit o nevazebných interakcí, se vyznačují extrémní větší plochy. Grafenu vykazuje mimořádnou pevnost a pevnost podél jeho bazální úroveň, která dosahuje s cca. 1020 GPa téměř hodnota pevnosti diamantu.
Grafenu je základním stavebním prvkem některých allotropes, včetně, kromě grafitu, také uhlíkové nanotrubičky a fullereny. Používá se jako přísada, může grafenu výrazně zlepšit elektrické, fyzikálních, mechanických a bariérových vlastností polymerních kompozitů při extrémně nízkých zatíženích. (Xu, Suslick 2011)
Svými vlastnostmi je graphene materiálem superlativ a tím slibuje pro průmysl, který vyrábí kompozity, povlaky nebo mikroelektroniku. Geim (2009) popisuje graphene jako supermaterial stručně v následujícím odstavci:
"Je to ten nejtenčí materiál ve vesmíru a nejsilnější měřeno. Jeho nosiče náboje vykazují obrovskou vnitřní pohyblivost, mají nejmenší účinnou hmotnost (je nula) a mohou cestovat po dlouhých vzdálenostech mikrometru bez rozptylu při pokojové teplotě. Grafen může udržovat proudové hustoty o 6 řádů vyšší než měď, vykazuje rekordní tepelnou vodivost a tuhost, je nepropustný pro plyny a sladí takové protichůdné vlastnosti jako křehkost a tažnost. Elektronový transport v grafenu je popsán Diracovou rovnicí, která umožňuje zkoumat relativistické kvantové jevy v experimentu na lavici. "
Vzhledem k vlastnostem těchto výjimečných materiálÛ, grafen je jedním z nejslibnějších materiálů a stojí v ohnisku nanomateriálů výzkumu.

Možné žádosti pro grafen

Biologické aplikace: Příklad pro přípravu ultrazvukových grafenů a jejich biologické použití je uveden ve studii "Syntéza nanokompozitů graphenu a zlata pomocí sonochemické redukce" od Park et al. (2011), kde byl syntetizován nanokompozit z redukovaných nanočástic oxidů graphenu-zlatý (Au) současným snížením iontů zlata a současným uložením nanočástic zlata na povrchu redukovaného oxidu stříbrného. Pro usnadnění redukce iontů zlata a vytváření kyslíkových funkčních skupin pro ukotvení nanočástic zlata na redukovaný oxid grafenu se na směs reakčních složek aplikovalo ozáření ultrazvukem. Výroba makromolekul modifikovaných vazbou na bázi zlata ukazuje potenciál ultrazvukového ozáření grafénových a grafenových kompozitů. Z tohoto důvodu se zdá, že ultrazvuk je vhodným nástrojem pro přípravu dalších biomolekul.
Elektronika: Grafen je vysoce funkční materiál pro elektronickou sektoru. Vysokou pohyblivost nosičů náboje v mřížce grafenu je, grafen je nejvyšší zájem pro vývoj rychlých elektronických součástek ve vysokofrekvenční-technologii.
Senzory: ultrazvukem expandovaný grafenu mohou být použity pro výrobu vysoce citlivé a selektivní konduktometrické senzory (jehož odpor se rychle mění >10 000% v nasyceném ethanolu páry), a ultracapacitorů s extrémně vysokou specifickou kapacitancí (120 F / g), hustota výkonu (105 kW / kg), a hustoty energie (9,2 Wh / kg). (An a kol. 2010)
Alkohol: Pro výrobu lihu: boční aplikace může být využití grafenu při výrobě alkoholu, tam grafenové membrány mohou být použity k destilaci alkoholu a aby tím alkoholické nápoje silnější.
Jako nejsilnější, elektricky vodivé a jeden z nejlehčích a nejvíce pružných materiálů, grafenu je slibný materiál pro solární články, katalýza, transparentní a emisní displejů, mikromechanických rezonátory, tranzistory, jako katoda v lithium-vzduchové baterie, pro ultrasensitivní chemických detektorů , vodivé povlaky, jakož i použití jako přísada ve sloučeninách.

Pracovní princip vysokého výkonu ultrazvukového

Při sonikaci kapalin při vysokých intenzitách vedou zvukové vlny, které se šíří do kapalného média, ke střídání vysokotlakých (kompresních) a nízkotlakých (zředěných) cyklů, přičemž sazby závisí na frekvenci. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí vysoce intenzivní ultrazvukové vlny v kapalině malé vakuové bubliny nebo prázdné prostory. Když bubliny dosáhnou objemu, ve kterém již nemohou absorbovat energii, prudce se zhroutí během vysokotlakého cyklu. Tento jev se nazývá kavitace. Během implozí jsou dosaženy velmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 k). Implozivost kavitace bublina má rovněž za následek proudů kapaliny až do 280 m / s rychlost. (Suslick 1998) ultrazvukem generovaný kavitační způsobuje chemické a fyzikální účinky, které mohou být použity k procesům.
Kavitace vyvolané Sonochemie poskytuje jedinečnou interakci mezi energií a hmotou, s horkých míst uvnitř bubliny ~ 5000 K, tlak ~ 1000 bar, vytápění a chlazení rychlostí >1010K s-1; Tyto mimořádné podmínky umožňují přístup k celé řadě chemických reakčního prostoru obvykle nejsou přístupné, což umožňuje syntézu široké škály neobvyklých nanostrukturovaných materiálů. (Bang 2010)