Vandbaseret eksfoliering af grafen
Ultralydseksfoliering gør det muligt at fremstille grafen med få lag uden brug af aggressive opløsningsmidler og udelukkende med rent vand. Sonikering med høj effekt delaminerer grafenark under en kort behandling. Ved at undgå opløsningsmidler bliver eksfoliering af grafen en grøn, bæredygtig proces.
Grafenproduktion ved eksfoliering i væskefase
Grafen fremstilles kommercielt ved såkaldt eksfoliering i væskefase. Eksfoliering af grafen i væskefase kræver brug af giftige, miljøskadelige og dyre opløsningsmidler, som anvendes til kemisk forbehandling eller i kombination med en mekanisk dispergeringsteknik. Til mekanisk dispergering af grafenark har ultralydsbehandling etableret sig som en yderst pålidelig, effektiv og sikker teknik til at fremstille grafenark af høj kvalitet i store mængder i fuld industriel skala. Da brugen af aggressive opløsningsmidler altid medfører omkostninger, kontaminering, kompleks fjernelse og bortskaffelse, sikkerhedsproblemer samt miljøbelastning, giver et ugiftigt og sikrere alternativ betydelige fordele. Eksfoliering af grafen med vand som opløsningsmiddel og ultralyd med høj effekt til mekanisk delaminering af grafenark med få lag er derfor en meget lovende teknik til grøn grafenproduktion.
Almindelige opløsningsmidler, der ofte anvendes som væskefase til at dispergere grafennanoark, omfatter dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-dimethylformamid (DMF), N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), tetramethylurinstof (TMU), tetrahydrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), ethanol og formamid.
Som en teknik, der længe har været etableret til eksfoliering af grafen i kommerciel skala, gør ultralydsbehandling det muligt at fremstille grafen af høj kvalitet og høj renhed til lave omkostninger. Da ultralydseksfoliering af grafen kan skaleres fuldstændigt lineært til ethvert volumen, kan produktionsudbyttet af grafenflager af høj kvalitet nemt realiseres ved masseproduktion af grafen.
UIP2000hdT er en kraftig ultralydsdispergator på 2kW til eksfoliering og dispergering af grafen.
Ultralydseksfoliering af grafen i vand
Tyurnina et al. (2020) undersøgte virkningerne af amplitude og sonikeringsintensitet på opløsninger af rent vand og grafit samt den resulterende eksfoliering af grafen. I undersøgelsen anvendte de en Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultralydseksfoliering med vand blev anvendt som en enkelttrinsproces til delaminering af grafen med få lag. En kort behandling på 2h var tilstrækkelig til at fremstille grafen med få lag i en sonikeringsopstilling med et åbent bægerglas.
En sekvens af højhastighedsoptagelser (fra a til f), der illustrerer sonomekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200s, et 24 kHz ultralydsapparat med en 3-mm sonotrode. Pilene viser spaltningsstedet (eksfoliering), hvor kavitationsbobler trænger ind i spalten.
© Tyurnina et al., 2020
Optimering af ultralydseksfoliering af grafen
Den ultralydsopstilling, som Tyurnina et al. (2020) anvendte, kan nemt optimeres til højere effektivitet og hurtigere eksfoliering ved at anvende en lukket ultralydsreaktor i gennemstrømningstilstand. Inline-ultralydsbehandling muliggør en betydeligt mere ensartet ultralydsbehandling af hele grafitråmaterialet: Ved at føre grafit-/vandopløsningen direkte ind i det afgrænsede område med ultralydskavitation sonikeres al grafitten ensartet, hvilket resulterer i et højt udbytte af grafenflager af høj kvalitet.
Hielscher Ultrasonics-systemer giver mulighed for præcis kontrol over alle vigtige procesparametre såsom amplitude, tid / opholdstid, energitilførsel (Ws/mL), tryk og temperatur. Indstilling af de optimale ultralydsparametre giver det højeste udbytte, den højeste kvalitet og den højeste samlede effektivitet.
Hvordan fremmer ultralydsbehandling eksfoliering af grafen
Når ultralydsbølger med høj effekt kobles ind i en opslæmning af grafitpulver og vand eller et hvilket som helst opløsningsmiddel, skaber sonomekaniske kræfter såsom kraftig forskydning, intens turbulens og store tryk- og temperaturforskelle energiintense forhold. Disse energiintense forhold skyldes fænomenet akustisk kavitation.
Læs mere om ultralydskavitation her!
Ultralyd med høj effekt igangsætter udvidelsen af grafitpulveret, da væsker presses ind mellem de grafenlag, som grafit består af. Ultralydens forskydningskræfter delaminerer de enkelte grafenark og dispergerer dem som grafenflager i opløsningen. For at opnå langtidsstabilitet for grafen i vand kræves et overfladeaktivt stof.
Mekanismen bag ultralydseksfoliering af grafen i væskefase.
Undersøgelse og billede af Tyurnina et al., 2021.
Højtydende ultralydsapparater til eksfoliering af grafen
De smarte funktioner i ultralydsapparater fra Hielscher er udviklet til at garantere pålidelig drift, reproducerbare resultater og brugervenlighed. Driftsindstillingerne kan nemt tilgås og justeres via en intuitiv menu, som er tilgængelig via en digital farvetouchskærm og fjernstyring via browser. Derfor registreres alle procesbetingelser såsom nettoenergi, samlet energi, amplitude, tid, tryk og temperatur automatisk på et indbygget SD-kort. Dette giver dig mulighed for at gennemgå og sammenligne tidligere sonikeringskørsler og optimere grafeneksfolieringsprocessen til den højeste effektivitet.
Hielscher Ultrasonics-systemer anvendes verden over til fremstilling af grafenark og grafenoxider af høj kvalitet. Hielschers industrielle ultralydsapparater kan nemt arbejde med høje amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på op til 200µm kan nemt genereres kontinuerligt med standardsonotroder (ultralydssonder / horn og CascatrodesTM). Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder. På grund af deres robusthed og lave vedligeholdelsesbehov installeres vores ultralydseksfolieringssystemer ofte til krævende anvendelser og i krævende miljøer.
Ultralydsprocessorer fra Hielscher til eksfoliering af grafen er allerede installeret verden over i kommerciel skala. Kontakt os nu for at drøfte din grafenproduktionsproces! Vores meget erfarne medarbejdere deler gerne flere oplysninger om eksfolieringsprocessen, ultralydssystemer og priser!
Klik her for at få mere at vide om syntese, dispergering og funktionalisering af grafen med ultralyd:
- Grafenproduktion
- Grafennanoplader
- Vandbaseret eksfoliering af grafen
- Vanddispergerbart grafen
- Grafenoxid
- Xenes
| Batchvolumen | Volumenstrøm | Anbefalede apparater |
|---|---|---|
| 1 til 500mL | 10 til 200mL/min | UP100H |
| 10 til 2000mL | 20 til 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 til 20L | 0,2 til 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 til 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | større | en gruppe af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsanvendelser, dispergering, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, pilot- og industriel skala.
Litteratur / Referencer
- 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.
Værd at vide
Hvad er grafen?
Grafen er et monolag af sp2-bundne kulstofatomer. Grafen har unikke materialeegenskaber såsom et usædvanligt stort specifikt overfladeareal (2620 m2 g-1), overlegne mekaniske egenskaber med et Youngs modul på 1 TPa og en intrinsisk styrke på 130 GPa, en ekstremt høj elektrisk ledningsevne (elektronmobilitet ved stuetemperatur på 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), meget høj varmeledningsevne (over 3000 W m K-1), for at nævne de vigtigste egenskaber. På grund af sine overlegne materialeegenskaber anvendes grafen i stort omfang i udviklingen og produktionen af højtydende batterier, brændselsceller, solceller, superkondensatorer, brintlagre, elektromagnetiske afskærmninger og elektroniske enheder. Desuden indarbejdes grafen i mange nanokompositter og kompositmaterialer som et forstærkende tilsætningsstof, f.eks. i polymerer, keramik og metalmatricer. På grund af sin høje ledningsevne er grafen en vigtig bestanddel i ledende maling og blæk.
Den hurtige og sikre fremstilling af defektfrit grafen med ultralyd i store volumener til lave omkostninger gør det muligt at udvide anvendelsen af grafen til stadig flere industrier.
Grafen er et ét atom tykt lag af kulstof, som kan beskrives som en enkeltlags- eller 2D-struktur af grafen (enkeltlagsgrafen = SLG). Grafen har et usædvanligt stort specifikt overfladeareal og overlegne mekaniske egenskaber (Youngs modul på 1 TPa og intrinsisk styrke på 130 GPa), har høj elektrisk ledningsevne og varmeledningsevne, høj ladningsbærermobilitet og gennemsigtighed og er uigennemtrængeligt for gasser. På grund af disse materialeegenskaber anvendes grafen som et forstærkende tilsætningsstof for at give kompositter dets styrke, ledningsevne osv. For at kombinere grafens egenskaber med andre materialer skal grafen dispergeres i materialeblandingen eller påføres som en tyndfilmsbelægning på et substrat.
Højtydende ultralyd! Hielschers produktsortiment dækker hele spektret fra det kompakte ultralydsapparat til laboratoriet over bordapparater til ultralydssystemer til fuld industriel skala.