Hielscher Ultralydsteknologi

Ultralyds Graphene produktion

Ultralyds syntese af Graphene via grafit eksfoliering er den mest pålidelige og fordelagtige metode til fremstilling af Graphene ark i industriel målestok af høj kvalitet. Hielscher's højtydende ultralydsprocessorer er præcist styrbar og kan generere meget høje amplituder i 24/7 operation. Dette gør det muligt at forberede store mængder af uberørt Graphene i en facile og størrelse-kontrollerbar måde.

Ultrasonic Fremstilling af Graphene

Graphene arkDa de ekstraordinære egenskaber ved grafit er kendt, er der udviklet flere metoder til dets fremstilling. Udover den kemiske produktion af grafener fra grafenoxid i flertrinsprocesser, for hvilke der kræves meget stærke oxidations- og reduktionsmidler. Derudover indeholder den grafen, der fremstilles under disse hårde kemiske forhold, ofte en stor mængde defekter selv efter reduktion sammenlignet med grafer opnået fra andre metoder. Imidlertid er ultralyd et velprøvet alternativ til at producere grafen af ​​høj kvalitet, også i store mængder. Forskere har udviklet lidt forskellige måder ved hjælp af ultralyd, men generelt er grafenproduktionen en simpel one-step-proces.
For at give et eksempel på en specifik graphene produktionsruten: Grafit tilsættes i en blanding af fortyndet organisk syre, alkohol og vand, hvorefter blandingen udsættes for ultrasonisk bestråling. Syren virker som en “molekylær kile” som adskiller ark graphene fra stam grafit. Ved denne enkle proces, er en stor mængde af ubeskadiget, høj kvalitet graphene dispergeret i vand oprettet. (An et al. 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

Figur 1:. AFM billede af eksfolierede GO ark med tre højdeprofiler erhvervet i forskellige steder (Stankovich et al 2007.)

UIP2000hdT-2kW ultrasonicator til væskebehandling.

UIP2000hdT – 2kW kraftfuld Ultralydapparat til Graphene eksfoliering

Anmodning om oplysninger




Bemærk vores Fortrolighedspolitik.


Graphene Direkte Eksfoliering

Ultralyd muliggør fremstilling af graphenes i organiske opløsningsmidler, overfladeaktive midler / vandopløsninger eller ioniske væsker. Det betyder, der kan undgås anvendelsen af ​​stærkt oxiderende eller reducerende midler. Stankovich et al. (2007) producerede graphene ved delaminering under ultralydbehandling.
AFM billeder af graphene oxid afstødes af ultralydsbehandlingen i koncentrationer på 1 mg / ml i vand afslørede altid tilstedeværelsen af ​​ark med ensartet tykkelse (~ 1 nm, eksempel er vist i figur 1 nedenfor.). Disse godt afstødes prøver af graphene oxid indeholdt ingen ark enten tykkere eller tyndere end 1 nm, hvilket fører til en konklusion, at fuldstændig afskalning af graphene oxid ned til de enkelte graphene oxid ark faktisk blev opnået under disse betingelser. (Stankovich et al. 2007)

Fremstilling af graphene Sheets

Stengl et al. har vist den vellykkede fremstilling af rene graphene ark i store mængder under fremstillingen af ​​støkiometriske TiO2 graphene nanocomposit ved termisk hydrolyse af suspensionen med graphene nanosheets og titandioxid peroxo kompleks. De rene graphene nanosheets blev produceret fra naturlig grafit anvendelse af en høj intensitet kavitation felt genereret af Hielscher ultrasoniske processor UIP1000hd i en højtryks ultralydsreaktoren ved 5 bar. De graphene ark opnået, med højt specifikt overfladeareal og unikke elektroniske egenskaber, kan anvendes som en god støtte til TiO2 at forbedre den fotokatalytiske aktivitet. Forskergruppen nedlagt kvaliteten af ​​ultralyd fremstillet graphen er meget højere end graphene opnået ved Hummer metode, hvor grafit afstødes og oxideret. Da de fysiske forhold i ultralydsreaktoren kan styres præcist og med den antagelse, at koncentrationen af ​​graphene som dopingmiddel vil variere i området fra 1 – 0.001%, produktion af graphene i et kontinuerligt system på kommerciel målestok er muligt.

Fremstilling af Ultrasonic Behandling af Graphene Oxide

Oh et al. (2010) har vist en fremstillingsvej brug af ultrasonisk bestråling til frembringelse graphene oxid (GO) lag. Derfor er de suspenderede femogtyve milligram graphene oxidpulver i 200 ml deioniseret vand. Ved omrøring opnåede de en inhomogen brune suspension. De resulterende suspensioner blev sonikeret (30 minutter, 1,3 x 105J), og efter tørring (ved 373 K) den ultralydsbehandlet graphene oxid blev fremstillet. En FTIR-spektroskopi viste, at ultralydsbehandlingen ikke ændrede de funktionelle grupper graphene oxid.

Ultralyd ekspanderet graphene oxid nanosheets

Figur 2:. SEM billede af graphene nanosheets opnået ved ultrasonikering (Oh et al 2010.)

Ultralyd syntese af Graphene med en Hielscher UIP4000hdT

UIP4000hdT – 4 kW High-Power ultrasonicator

Funktionalisering af Graphene Sheets

Xu og Suslick (2011) beskriver en bekvem éttrins fremgangsmåde til fremstilling af polystyren funktionaliseret grafit. I deres undersøgelse, de brugte grafitflager og styren som råmateriale. Ved sonikering grafikflagerne i styren (en reaktiv monomer), ultralyd bestråling resulterede i mechanochemical afskalning af grafitflager i single-layer og få lag graphene ark. Samtidig har funktionaliseringen af ​​graphene ark med polystyren kæder er nået.
Den samme proces med funktionalisering kan udføres med andre vinylmonomerer til kompositter baseret på graphen.

Fremstilling af nanoribbons

Forskningsgruppen for Hongjie Dai og hans kolleger fra Stanford University fandt en teknik til at forberede nanoribbons. Graphene bånd er tynde strimler af grafen, der kan have endnu mere nyttige egenskaber end grafenark. Ved bredder på ca. 10 nm eller mindre er grafenbåndets adfærd ligner en halvleder, da elektroner er tvunget til at bevæge sig i længderetningen. Derved kunne det være interessant at bruge nanoribboner med halvlederlignende funktioner i elektronik (fx til mindre, hurtigere computerchips).
Dai et al. fremstilling af graphene nanoribbons baser på to trin: for det første, de løsnede lag af graphene fra grafit ved en varmebehandling af 1000ºC i et minut i 3% hydrogen i argongas. Derefter blev graphene brudt op i strimler under anvendelse af ultralydbehandling. De ved denne teknik nanoribbons er karakteriseret ved meget ’glattere’ kanter end dem, der foretages ved konventionelle litografiske midler. (Jiao et al. 2009)

Fremstilling af Carbon Nanoscrolls

Carbon Nanoscrolls ligner flervæggede carbon-nanorør. Forskellen til MWCNTs er de åbne spidser og fuld tilgængelighed af de indre overflader til andre molekyler. De kan syntetiseres wet-kemisk ved interkalaterende grafit med kalium, eksfolierende i vand og sonikering af kolloid suspension. (Jf Viculis et al. 2003) ultralydbehandling bistår rulle op af graphene monolag i carbon nanoscrolls (se fig. 3). En høj virkningsgrad på 80% er blevet opnået, som gør produktionen af ​​nanoscrolls interessante til kommercielle anvendelser.

Ultralyd assisteret syntese af kulstof nanoscrolls

Fig.3: Ultrasonic syntese af Carbon Nanoscrolls (Viculis et al 2003.)

Anmodning om oplysninger




Bemærk vores Fortrolighedspolitik.


graphene dispersioner

Spredningskvaliteten af ​​grafen og grafenoxid er yderst vigtigt for at anvende grafens fulde potentiale med dets specifikke egenskaber. Hvis grafen ikke spredes under kontrollerede forhold, kan polydispersiteten af ​​grafendispersionen føre til uforudsigelig eller nonidal adfærd, når den er inkorporeret i enheder, da grafens egenskaber varierer som en funktion af dets strukturelle parametre. Sonication er en gennemprøvet behandling for at svække mellemlagerkræfterne og muliggør en nøjagtig kontrol af de vigtige behandlingsparametre.
”For graphene oxid (GO), der typisk afstødes som enkelt-lags ark, en af ​​de vigtigste polydispersitet udfordringer skyldes variationer i den laterale område af flagerne. Det er blevet vist, at den gennemsnitlige laterale størrelse af GO kan forskydes fra 400 nm til 20 um ved at ændre grafit udgangsmateriale og lydbehandling betingelser.”(Green et al. 2010)
den ultrasoniske sprede af graphene resulterer i fine og endda kolloide opslæmninger er blevet påvist i forskellige andre undersøgelser. (Liu et al. 2011 / Baby et al. 2011 / Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) har vist, at ved brugen af ​​ultralydbehandling en stabil graphene dispersion med en høj koncentration på 1 mg · ml-1 og relativt rene graphene ark er nået, og som fremstillede graphene ark udviser en høj elektrisk ledningsevne på 712 S · m-1. Resultaterne af Fourier transformerede infrarøde spektre og Raman-spektre undersøgelse viste, at det ultrasoniske fremstillingsmetode har mindre skade på de kemiske og krystalstrukturer af graphene.

Højtydende Ultrasonicators

Til fremstilling af høj kvalitet Graphene Nano-ark, pålidelig højtydende ultralyds udstyr er påkrævet. Amplitude, tryk og temperatur en afgørende parametre, som er afgørende for reproducerbarhed og ensartet produktkvalitet. Hielscher Ultrasonics’ ultralydsprocessorer er kraftfulde og præcist kontrollerbare systemer, som giver mulighed for den nøjagtige indstilling af procesparametre og kontinuerlig High-Power ultralyd udgang. Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralyds-processorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan let kontinuerligt køres i 24/7 drift. For endnu højere amplituder, tilpassede ultralyd sonotroder er tilgængelige. Robustheden af Hielscher's ultralyds udstyr giver mulighed for 24/7 drift ved tung pligt og i krævende miljøer.
Vores kunder er tilfredse med den fremragende robusthed og pålidelighed af Hielscher ultralydssystemer. Installationen i områder af Heavy-Duty applikation, krævende miljøer og 24/7 drift sikrer effektiv og økonomisk behandling. Ultralyd procesintensivering reducerer behandlingstid og opnår bedre resultater, dvs højere kvalitet, højere udbytter, innovative produkter.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater:

Batch Volumen Strømningshastighed Anbefalede enheder
0.5 til 1,5 ml na VialTweeter
1 til 500 ml 10 til 200 ml / min UP100H
10 til 2000 ml 20 til 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 til 20L 0.2 til 4L / min UIP2000hdT
10 til 100 l 2 til 10 l / min UIP4000hdT
na 10 til 100 l / min UIP16000
na større klynge af UIP16000

Kontakt os / bede om flere oplysninger

Tal med os om dine forarbejdning krav. Vi vil anbefale de bedst egnede setup og procesparametre til dit projekt.





Bemærk venligst, at vores Fortrolighedspolitik.


Download hele artiklen som PDF her:
Ultralyd bistået udarbejdelse af graphene


Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralyds homogenisatorer til dispersion, emulgering og celle ekstraktion.

High-Power ultralyd homogenisatorer fra Lab til pilot og industriel skala.

Litteratur / Referencer

  • Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
  • En, X .; Simmons, T .; Shah R .; Wolfe, C .; Lewis, K. M .; Washington, M .; Nayak, S. K .; Talapatra, S .; Kar, S. (2010): Stabil vandige dispersioner af ikke-kovalent funktionaliserede graphene fra grafit og deres multifunktionelle højtydende applikationer. Nano Letters 10/2010. pp. 4295-4301.
  • Baby, T. Th .; Ramaprabhu, S. (2011): Enhanced konvektionsvarmeoverførsel anvendelse graphene dispergeret nanofluids. Nanoscale Research Letters 6: 289, 2011.
  • Bang, J. H .; Suslick, K. S. (2010): Anvendelser af ultralyd til syntese af nanostrukturerede materialer. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
  • Choi, E. Y .; Han, T. H .; Hong, J .; Kim, J. E .; Lee, S. H .; Kim, H. W .; Kim, S. O. (2010): ikke-kovalente funktionalisering af graphene med de endelige-funktionelle polymerer. Tidende Materialekemi 20 / 2010. s. 1907-1912.
  • Geim, A. K. (2009): Graphene: status og perspektiver. Science 324/2009. pp. 1530-1534. http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0906/0906.3799.pdf
  • Green, A. A .; Hersam, M. C. (2010): Nye fremgangsmåder til fremstilling Monodisperse graphene dispersioner. Journal of Physical Chemistry Letters 2010. pp. 544-549.
  • Guo J .; Zhu, S .; Chen, Z .; Li, Y .; Yu, Z .; Liu, Z .; Liu, Q .; Li, J .; Feng, C .; Zhang, D. (2011): Sonochemical syntese af TiO (2 nanopartikler på graphene til anvendelse som fotokatalysator
  • Hasan K. ul; Sandberg, M. O .; Nur, O .; Willander, M. (2011): stabilisering af graphene suspensioner polykation. Nanoscale Research Letters 6: 493, 2011.
  • Liu, X .; Pan, L .; Lv, T .; Zhu, G .; Lu, T .; Sol, Z .; Sol, C. (2011): Mikrobølgeassisteret syntese af TiO2-reducerede graphene oxid kompositter til fotokatalytisk reduktion af Cr (VI). RSC Forskud 2011.
  • Malig, J .; Englert, J. M .; Hirsch, A .; Guldi, D. M. (2011): Wet Chemistry of Graphene. De elektrokemiske Society Interface foråret 2011. pp. 53-56.
  • Åh, W. Ch .; Chen, M. L .; Zhang, K .; Zhang, F. J .; Jang, W. K. (2010): Effekten af ​​termisk og ultralydsbehandling om Dannelse af Graphene-oxid Nanosheets. Tidende den koreanske Physical Society 4/56, 2010. s. 1097-1102.
  • Sametband, M .; Shimanovich, U .; Gedanken, A. (2012): graphene oxid mikrosfærer fremstillet ved en simpel, ettrins ultralydbehandling metode. Ny Journal of Chemistry 36/2012. pp. 36-39.
  • Savoskin, M. V .; Mochalin, V. N .; Yaroshenko, A. P .; Lazareva, N. I .; Konstanitinova, T. E .; Baruskov, I. V .; Prokofiev, I. G. (2007): Carbon nanoscrolls fremstillet af acceptor-typen grafit interkalationsforbindelser. Carbon 45/2007. pp. 2797-2800.
  • Stankovich, S .; Dikin, D. A .; Piner, R. D .; Kohlhaas, K. A .; Kleinhammes, A .; Jia, Y .; Wu, Y .; Nguyen, S. T .; Ruoff, R. S. (2007): Syntese af graphene-baserede nanosheets via kemisk reduktion af ekspanderet grafit oxid. Carbon 45/2007. pp. 1558-1565.
  • Stengl, V .; Popelková, D .; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene nanocomposite som High Performance fotokatalysatorer. I: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25.209-25.218.
  • Suslick, KS (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4. udgave. J. Wiley & Sons: New York, 1998, bd. 26, pp. 517-541.
  • Viculis, L. M .; Mack, J. J .; Kaner, R. B. (2003): A Chemical rute til Carbon Nanoscrolls. Videnskab, 299/1361; 2003.
  • Xu, H .; Suslick, K. S. (2011): Sonochemical Fremstilling af funktionaliserede Graphenes. I: Journal of American Chemical Society 133/2011. pp. 9148-9151.
  • Zhang, W .; Han, W .; Jing, X. (2010): Udarbejdelse af en stabil Graphene Dispersion med høj koncentration af ultralyd. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. pp. 10.368-10.373.
  • Jiao, L .; Zhang, L .; Wang, X .; Diankov, G .; Dai, H. (2009): Smalle graphene nanoribbons fra kulstof-nanorør. Natur 458 / 2009. pp. 877-880.
  • Park, G .; Lee, K. G .; Lee, S. J .; Park, T. J .; Wi, R .; Kim, D. H. (2011): Syntese af Graphene-Gold nanokompositter via Sonochemical Reduction. Tidende Nanoscience og nanoteknologi 7/11, 2011. s. 6095-6101.
  • Zhang, RQ; De Sakar, A. (2011): Teoretiske studier af formation, ejendomsindstilling og adsorption af grafensegmenter. I: M. Sergey (red.): Fysik og anvendelser af grafen - teori. InTech 2011. s. 3-28.


Fakta Værd at vide

Hvad er Graphene?

Grafit består af todimensionale ark sp2-hybridiseret, hexagonalt anbragte carbonatomer - den graphene - som er stablet regelmæssigt. Den graphene s atom-tynde plader, der danner grafit af ikke-bonding interaktioner, er karakteriseret ved en ekstrem større overfladeareal. Graphene viser en ekstraordinær styrke og fasthed langs dens basale niveauer, der når med ca.. 1020 GPa næsten styrken værdien af ​​diamant.
Graphene er det grundlæggende strukturelle element af nogle allotropes herunder, udover grafit, også kulstofnanorør og fullerener. Anvendes som additiv, kan graphene dramatisk forbedre de elektriske, fysiske, mekaniske og barriereegenskaber polymer kompositmaterialer ved ekstremt lave belastninger. (Xu, Suslick 2011)
Ved sine egenskaber er grafen et materiale af superlativer og derved lovende for industrier, der producerer kompositter, belægninger eller mikroelektronik. Geim (2009) beskriver grafen som supermaterialet kortfattet i følgende afsnit:
"Det er det tyndeste materiale i universet og den stærkeste nogensinde målt. Dens ladetransportører udviser gigantisk indre mobilitet, har den mindste effektive masse (det er nul) og kan rejse mikrometer lange afstande uden spredning ved stuetemperatur. Graphen kan opretholde nuværende densiteter 6 ordrer højere end kobber, viser rekord termisk ledningsevne og stivhed, er uigennemtrængelig for gasser og forene sådanne modstridende kvaliteter som brummelighed og duktilitet. Elektrontransport i grafen er beskrevet af en Dirac-lignende ligning, som muliggør undersøgelse af relativistiske kvantfænomener i et bench-top-eksperiment. "
På grund af disse enestående materialets egenskaber, graphen er en af ​​de mest lovende materialer og står i fokus for nanomateriale forskning.

Potentielle ansøgninger om Graphene

Biologiske anvendelser: Et eksempel på ultralydgrafenforberedelse og dets biologiske anvendelse er givet i undersøgelsen "Syntese af grafen-guld nanokompositter via sonokemisk reduktion" af Park et al. (2011), hvor en nanokomposit fra reducerede grafenoxid-guld (Au) nanopartikler blev syntetiseret ved samtidig reduktion af guldionerne og aflejring af guldnanopartikler på overfladen af ​​det reducerede grafenoxid samtidigt. For at lette reduktionen af ​​guldioner og dannelsen af ​​oxygenfunktioner til forankring af guldnanopartiklerne på det reducerede grafenoxid blev ultralydbestråling påført reagensen af ​​blandingen. Fremstillingen af ​​guldbindende peptidmodificerede biomolekyler viser potentialet ved ultralydbestråling af grafen og grafenkompositter. Derfor synes ultralyd at være et egnet redskab til at forberede andre biomolekyler.
Elektronik: Graphene er en funktionel materiale til den elektroniske sektor. Ved den høje mobilitet af ladningsbærere i graphene gitter, graphen er af største interesse for udviklingen af ​​hurtige elektroniske komponenter i den højfrekvente-teknologi.
Sensorer: Den ultrasonisk ekspanderet graphene kan anvendes til fremstilling af meget følsomme og selektive konduktometriske sensorer (hvis modstand hurtigt ændrer >10 000% i mættet ethanoldamp) og ultrakapacitorer med ekstremt høj specifik kapacitans (120 F / g), effekttæthed (105 kW / kg), og energitætheden (9,2 Wh / kg). (An et al. 2010)
Alkohol: Til alkoholproduktion: En side anvendelse kan være brugen af ​​graphene i produktionen alkohol, der graphene membraner kan anvendes til at destillere alkohol og gøre derved alkoholholdige drikkevarer stærkere.
Som det stærkeste, mest elektrisk ledende og en af ​​de letteste og mest fleksible materialer, graphene er et lovende materiale til solceller, katalyse, gennemsigtige og emitterende skærme, mikromekaniske resonatorer, transistorer, som katode i lithium-luft-batterier, for ultrasensitive kemiske detektorer , ledende belægninger samt anvendelsen som tilsætningsstof i forbindelser.

Arbejdsprincippet for ultralyd med høj effekt

Ved lydbehandling af væsker ved høje intensiteter resulterer lydbølgerne, som formeres i væskemedierne, i alternerende højtryks- (kompression) og lavtrykscykluser med frekvenser, der afhænger af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber højintensitets ultralydbølger små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne når et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, falder de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen betegnes som kavitation. Under implosionen nås meget høje temperaturer (ca. 5.000K) og tryk (ca. 2.000atm) lokalt. Implosionen af kavitation boble resulterer også i væskestråler på op til 280m / s hastighed. (Suslick 1998) ultralydsgenereret kavitation bevirker kemiske og fysiske effekter, som kan anvendes til processer.
Kavitation-induceret sonochemistry giver en unik vekselvirkning mellem energi og stof, med hot spots inde i boblerne af ~ 5000 K, tryk på ~ 1000 bar, køle- og satser >1010K s-1; disse ekstraordinære betingelser tillade adgang til en række kemisk reaktion plads normalt ikke er tilgængelige, som muliggør syntese af en lang række usædvanlig nanostrukturerede materialer. (Bang 2010)