Exfoliace grafenu na vodní bázi
Ultrazvuková exfoliace umožňuje produkovat několikavrstvý grafen bez použití drsných rozpouštědel pouze s čistou vodou. Vysoce výkonná ultrazvuková delaminace delaminuje grafenové listy během krátké léčby. Vyhýbání se rozpouštědlům mění exfoliaci grafenu v zeleném, udržitelném procesu.
Výroba grafenu pomocí exfoliace kapalné fáze
Grafen se komerčně vyrábí prostřednictvím tzv. exfoliace kapalné fáze. Exfoliace grafenu v kapalné fázi vyžaduje použití toxických, ekologicky škodlivých a drahých rozpouštědel, která se používají jako chemické před ošetření nebo v kombinaci s mechanickou disperzní technikou. Pro mechanickou disperze grafenových listů byla ultrazvuku stanovena jako vysoce spolehlivá, účinná a bezpečná technika pro výrobu vysoce kvalitních grafenových listů ve velkém množství na plně průmyslové úrovni. Vzhledem k tomu, že použití tvrdých rozpouštědel je vždy doprovázeno náklady, kontaminací, komplexním odstraněním a likvidací, bezpečnostními obavami a ekologickou zátěží, je netoxická a bezpečnější alternativa výrazně výhodná. Exfoliace grafenu pomocí vody jako rozpouštědla a výkon ultrazvuku pro mechanickou delaminaci několika vrstev grafenových listů je proto velmi slibnou technikou pro výrobu zeleného grafenu.
Mezi běžná rozpouštědla, která se často používají jako kapalná fáze k rozptýlení grafenových nano listů, patří Dimethylsulfid (DMSO), N,N-dimethylformamid (DMF), N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), Tetramethylurea (TMU), Tetrahydrofuran (THF), propylen-karbonateaceton (PC), ethanol a formamid.
Jako již dlouho zavedená technika pro exfoliaci grafenu v komerčním měřítku, ultrazvuku umožňuje produkovat vysoce kvalitní grafen vysoké čistoty za nízké náklady. Vzhledem k tomu, že ultrazvuková grafenová exfoliace může být zcela lineární škálována na jakýkoli objem, výrobní výnos vysoce kvalitních grafenových vloček lze snadno implementovat pro hromadnou výrobu grafenu.
UIP2000hdT je 2kW výkonný ultrazvukový dispergátor pro exfoliaci a disperzi grafenu.
Ultrazvukové exfoliace grafenu ve vodě
Tyurnina et al. (2020) zkoumali účinky amplitudy a intenzity sonikace na roztoky čisté vody a grafitu a výslednou exfoliaci grafenu. Ve studii použili Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultrazvuková exfoliace pomocí vody byla aplikována jako jednokrokový proces pro delaminaci grafenu ve vrstvě. Krátká léčba 2h byla dostatečná k výrobě několikavrstvého grafenu v otevřeném nastavení sonikace kádinky.
Vysokorychlostní sekvence (od a do f) snímků ilustrujících sonomechanickou exfoliaci grafitové vločky ve vodě pomocí UP200s, 24 kHz ultrasonicator s 3-mm sonotrodou. Šipky ukazují místo rozdělení (exfoliace) s kavitačními bublinami pronikajícími do rozdělení.
© Tyurnina et al., 2020
Optimalizace ultrazvukové grafenové exfoliace
Ultrazvukové nastavení používané Tyurnina et al. (2020) lze snadno optimalizovat pro větší účinnost a rychlejší exfoliaci pomocí uzavřeného ultrazvukového reaktoru v průtokovém režimu. Ultrazvukové inline ošetření umožňuje výrazně jednotnější ultrazvukové ošetření veškeré grafitové suroviny: krmení roztoku grafitu / vody přímo do uzavřeného prostoru ultrazvukové kavitace, veškerý grafit se stává rovnoměrně sonikován, což vede k vysokému výtěžku vysoce kvalitních grafenových vloček.
Hielscher Ultrazvukové systémy umožňují přesnou kontrolu nad všemi důležitými parametry zpracování, jako je amplituda, čas / retence, příkon energie (Ws / ml), tlak a teplota. Nastavení optimálních ultrazvukových parametrů má za následek nejvyšší výtěžek, kvalitu a celkovou účinnost.
Jak ultrazvuku podporuje exfoliaci grafenu
Když jsou ultrazvukové vlny s vysokým výkonem spojeny do kejdy grafitového prášku a vody nebo jakéhokoli rozpouštědla, sonomechanické síly, jako jsou vysoké smyky, intenzivní turbulence a vysokotlaké a teplotní diferenciály, vytvářejí energeticky intenzivní podmínky. Tyto energeticky intenzivní podmínky jsou výsledkem fenoménu akustické kavitace.
Přečtěte si více o ultrazvukové kavitaci zde!
Výkonový ultrazvuk iniciuje rozšíření grafitového prášku, protože tekutiny jsou lisovány mezi vrstvami grafenu, z nichž se skládá grafit. Ultrazvukové smyk síly delaminovat jednotlivé listy grafenu a rozptýlit je jako grafenové vločky v roztoku. Pro dosažení dlouhodobé stability grafenu ve vodě je nutná povrchově aktivní voda.
Mechnismus ultrazvukové kapalné fáze exfoliace grafenové exfoliace.
Studie a obrázek tyurnina a kol., 2021.
Vysoce výkonné ultrasonicators pro grafenovou exfoliaci
Inteligentní vlastnosti ultrasonicators Hielscher jsou navrženy tak, aby zaručily spolehlivý provoz, reprodukovatelné výsledky a uživatelskou přívětivost. Provozní nastavení lze snadno získat a vytočit pomocí intuitivní nabídky, která je přístupná prostřednictvím digitálního barevného dotykového displeje a dálkového ovládání prohlížeče. Proto jsou všechny podmínky zpracování, jako je čistá energie, celková energie, amplituda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenány na vestavěné SD kartě. To vám umožní revidovat a porovnat předchozí zvukové běhy a optimalizovat proces exfoliace grafenu na nejvyšší účinnost.
Hielscher Ultrazvukové systémy se používají po celém světě pro výrobu vysoce kvalitních grafenových listů a oxidů grafenu. Hielscher průmyslové ultrasonicators mohou snadno provozovat vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu (24/7/365). Amplitudy až 200 μm lze snadno generovat pomocí standardních sonotrodů (ultrazvukové sondy / rohy a cascatrodyTm). Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonárody. Díky své robustnosti a nízké údržbě jsou naše ultrazvukové exfoliační systémy běžně instalovány pro náročné aplikace a v náročných prostředích.
Hielscher ultrazvukové procesory pro exfoliaci grafenu jsou již instalovány po celém světě v komerčním měřítku. Kontaktujte nás nyní a prodiskutujte váš proces výroby grafenu! Náš zkušený personál vám rád sdělí více informací o procesu exfoliace, ultrazvukových systémech a cenách!
Chcete-li se dozvědět více o ultrazvukové syntéze, disperzi a funkcionalizaci grafenu, klikněte zde:
- Výroba grafenu
- Grafenové nanodestičky
- Exfoliace grafenu na vodní bázi
- grafen dispergovatelný ve vodě
- Oxid grafenového
- Xenes
| Hromadná dávka | průtok | Doporučené Devices |
|---|---|---|
| 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 |
Kontaktujte nás! / Zeptej se nás!
Hielscher Ultrazvuk vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakce v laboratoři, pilotním a průmyslovém měřítku.
Literatura / Reference
- 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.
Fakta Worth Knowing
Co je to Grafene?
Grafenu je monovrstva sp2-bonded atomů uhlíku. Grafenu nabízí unikátní vlastnosti materiálu, jako je mimořádné velkým specifickým povrchem (2620 m2G-1), Vynikající mechanické vlastnosti s Youngův modul 1 TPa a vnitřní pevnosti 130 GPa, extrémně vysoký elektronovou vodivost (mobilita při pokojové teplotě elektronů 2,5 x 105 cm2 PROTI-1s-1), Velmi vysoká tepelná vodivost (nad 3000 W m K-1), Abychom jmenovali ty nejdůležitější vlastnosti. Vzhledem ke své vynikající vlastnosti materiálu, grafenu se často používají ve vývoji a výrobě vysoce výkonných baterie, palivové články, solární články, superkondenzátoru, vodíkové zásobníky, elektromagnetické stínění a elektronických zařízení. Dále grafen je začleněna do mnoha nanokompozitů a kompozitních materiálů jako výztužné aditivum, např. do polymerů, keramiky a kovové matice. Vzhledem ke své vysoké vodivosti, grafenu je důležitou složkou vodivých barev a inkoustů.
Rychlá a bezpečná ultrazvuková příprava bezvadného grafenu ve velkých objemech při nízkých nákladech umožňuje rozšíření aplikací grafenu do stále více průmyslových odvětví.
Grafen je vrstva uhlíku s jedním atomem, která může být popsána jako jednovrstvá nebo 2D struktura grafenu (jednovrstvý grafén = SLG). Grafen má mimořádně velký povrch a vynikající mechanické vlastnosti (Youngův modul 1 TPa a vnitřní pevnost 130 GPa), nabízí vynikající elektronickou a tepelnou vodivost, mobilitu nosiče náboje, průhlednost a je nepropustný pro plyny. Vzhledem k těmto materiálovým vlastnostem je grafen použit jako výztužná přísada, aby kompozity získaly svou pevnost, vodivost atd. Aby bylo možné kombinovat vlastnosti grafenu s jinými materiály, musí být grafen rozpuštěn do sloučeniny nebo aplikován jako tenkovrstvý povlak na podklad.
Vysoce výkonný ultrazvuk! Hielscher je produktová řada pokrývá celé spektrum od kompaktní laboratoře ultrasonicator přes bench-top jednotky na full-průmyslové ultrazvukové systémy.