Peeling grafenu na vodní bázi
Ultrazvuková exfoliace umožňuje vyrábět vícevrstvý grafen bez použití drsných rozpouštědel pouze s použitím čisté vody. Vysoce výkonná sonikace delaminuje grafenové desky během krátké léčby. Vyhýbání se rozpouštědlům mění exfoliaci grafenu na ekologický a udržitelný proces.
Výroba grafenu pomocí exfoliace v kapalné fázi
Grafen se komerčně vyrábí pomocí tzv. exfoliace v kapalné fázi. Exfoliace grafenu v kapalné fázi vyžaduje použití toxických, ekologicky škodlivých a drahých rozpouštědel, která se používají jako chemická předúprava nebo v kombinaci s mechanickou disperzní technikou. Pro mechanickou disperzi grafenových listů byla ultrazvuku zavedena 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 drsných rozpouštědel je vždy spojeno s náklady, kontaminací, složitým odstraňováním a likvidací, bezpečnostními obavami a zátěží pro životní prostředí, je netoxická a bezpečnější alternativa výrazně výhodná. Exfoliace grafenu s použitím vody jako rozpouštědla a výkonového ultrazvuku pro mechanickou delaminaci několika vrstev grafenu je proto velmi slibnou technikou pro výrobu zeleného grafenu.
Mezi běžná rozpouštědla, která se často používají jako kapalná fáze k dispergaci grafenových nanovrstev, patří dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-dimethylformamid (DMF), N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), tetramethylmočovina (TMU), tetrahydrofuran (THF), propylenkarbonátaceton (PC), ethanol a formamid.
Jako již dlouhodobě zavedená technika pro exfoliaci grafenu v komerčním měřítku umožňuje ultrazvuku vyrábět vysoce kvalitní grafen s vysokou čistotou za nízkou cenu. Vzhledem k tomu, že ultrazvuková exfoliace grafenu může být zcela lineárně škálována na jakýkoli objem, lze výtěžnost výroby vysoce kvalitních grafenových vloček snadno implementovat pro hromadnou výrobu grafenu.

UIP2000hdT je 2kW výkonný ultrazvukový dispergátor pro odlupování a disperzi grafenu.
Ultrazvuková exfoliace grafenu ve vodě
Tyurnina et al. (2020) zkoumali účinky amplitudy a intenzity sonikace na čisté roztoky 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 několika vrstvách. Krátké ošetření 2 hodiny stačilo k výrobě vícevrstvého grafenu v nastavení sonikace s otevřenou kádinkou.

Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) ilustrující sonomechanickou exfoliaci grafitových vloček ve vodě pomocí UP200s, 24 kHz ultrasonicator s 3-mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení (exfoliace) s kavitačními bublinami pronikajícími do štěrbiny.
© Tyurnina et al., 2020
Optimalizace ultrazvukové exfoliace grafenu
Ultrazvukové nastavení používané Tyurninou et al. (2020) lze snadno optimalizovat pro větší účinnost a rychlejší exfoliaci pomocí uzavřeného ultrazvukového reaktoru v průtokovém režimu. Ultrazvukové inline ošetření umožňuje výrazně rovnoměrnější ultrazvukové ošetření všech grafitových surovin: přivádění roztoku grafitu / vody přímo do omezeného prostoru ultrazvukové kavitace, veškerý grafit se rovnoměrně sonikuje, což má za následek vysoký výtěžek 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 vede k nejvyššímu výtěžku, kvalitě a celkové účinnosti.
Jak ultrazvuku podporuje exfoliaci grafenu
Když jsou ultrazvukové vlny s vysokým výkonem spojeny s kaší grafitového prášku a vody nebo jakéhokoli rozpouštědla, sonomechanické síly, jako je vysoký střih, intenzivní turbulence a vysoké tlakové a teplotní rozdíly, vytvářejí energeticky náročné podmínky. Tyto energeticky náročné podmínky jsou výsledkem jevu akustické kavitace.
Přečtěte si více o ultrazvukové kavitaci zde!
Výkonový ultrazvuk iniciuje expanzi grafitového prášku, protože mezi grafenovými vrstvami, z nichž se grafit skládá, jsou lisovány tekutiny. Ultrazvukové smykové síly delaminují jednotlivé vrstvy grafenu a dispergují je jako grafenové vločky v roztoku. K dosažení dlouhodobé stability grafenu ve vodě je nutná povrchově aktivní látka.

Mechanizmus ultrazvukové exfoliace kapalné fáze exfoliace grafenu.
Studie a obrázek Tyurnina et al., 2021.
Vysoce výkonné ultrasonicators pro exfoliaci grafenu
Inteligentní funkce Hielscher ultrasonicators jsou navrženy tak, aby zaručovaly spolehlivý provoz, reprodukovatelné výsledky a uživatelskou přívětivost. K provozním nastavením lze snadno přistupovat a vytáčet je prostřednictvím intuitivního menu, ke kterému lze přistupovat pomocí digitálního barevného dotykového displeje a dálkového ovládání prohlížeče. Proto se všechny podmínky zpracování, jako je čistá energie, celková energie, amplituda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenávají na vestavěnou SD kartu. To vám umožní revidovat a porovnat předchozí běhy sonikace a optimalizovat proces odlupování grafenu na nejvyšší účinnost.
Hielscher Ultrazvukové systémy se používají po celém světě pro výrobu vysoce kvalitních grafenových desek a oxidů grafenu. Hielscher průmyslové ultrasonicators mohou snadno provozovat vysoké amplitudy v nepřetržitém provozu (24/7/365). Amplitudy až 200 μm lze snadno kontinuálně generovat pomocí standardních sonotrod (ultrazvukové sondy / rohy a KascatrodyTM). Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Díky své robustnosti a nízké údržbě se naše ultrazvukové exfoliační systémy běžně instalují 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 svůj proces výroby grafenu! Náš zkušený personál se s vámi rád podělí o 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
- Peeling grafenu na vodní bázi
- ve vodě dispergovatelný grafen
- oxid grafenu
- xenes
Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
---|---|---|
1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
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.
Fakta, která stojí za to vědět
Co je grafen?
Grafen je monovrstva sp2-vázané atomy uhlíku. Grafen nabízí jedinečné materiálové vlastnosti, jako je mimořádně velký specifický povrch (2620 m2g-1), vynikající mechanické vlastnosti s Youngovým modulem 1 TPa a vlastní pevností 130 GPa, extrémně vysoká elektronická vodivost (pohyblivost elektronů při pokojové teplotě 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), velmi vysoká tepelná vodivost (nad 3000 W m K-1), abyste pojmenovali nejdůležitější vlastnosti. Díky svým vynikajícím materiálovým vlastnostem je grafen hojně využíván při vývoji a výrobě vysoce výkonných baterií, palivových článků, solárních článků, superkondenzátorů, vodíkových skladů, elektromagnetických štítů a elektronických zařízení. Kromě toho je grafen začleněn do mnoha nanokompozitů a kompozitních materiálů jako výztužná přísada, např. v polymerech, keramice a kovových matricích. Díky své vysoké vodivosti je grafen důležitou složkou vodivých barev a inkoustů.
Rychlá a bezpečná ultrazvuková příprava bezvadného grafenu ve velkých objemech při nízkých nákladech umožňuje rozšířit aplikace grafenu do stále více průmyslových odvětví.
Grafen je vrstva uhlíku o tloušťce jednoho atomu, kterou lze popsat jako jednovrstvou nebo 2D strukturu grafenu (jednovrstvý grafen = SLG). Grafen má mimořádně velký specifický povrch a vynikající mechanické vlastnosti (Youngův modul 1 TPa a vnitřní pevnost 130 GPa), nabízí skvělou elektronickou a tepelnou vodivost, mobilitu nosičů náboje, průhlednost a je nepropustný pro plyny. Díky těmto materiálovým vlastnostem se grafen používá jako výztužná přísada, která dodává kompozitům jejich pevnost, vodivost atd. Aby bylo možné kombinovat vlastnosti grafenu s jinými materiály, musí být grafen dispergován do sloučeniny nebo je aplikován jako tenkovrstvý povlak na substrát.