Vandbaseret grafen eksfoliering
Ultralyd eksfoliering gør det muligt at producere få lag grafen uden brug af barske opløsningsmidler kun ved hjælp af rent vand. High-power sonikering delaminates grafen ark inden for en kort behandling. Undgåelse af opløsningsmidler forvandler grafen exfoliation i en grøn, bæredygtig proces.
Grafenproduktion via eksfoliering af flydende fase
Graphene fremstilles kommercielt via såkaldt flydende fase eksfoliering. Flydende fase eksfoliering af grafen kræver brug af giftige, miljøskadelige og dyre opløsningsmidler, der anvendes som kemisk forbehandling eller i kombination med /med en mekanisk spredningsteknik. Til mekanisk spredning af grafenpladerne er ultralydning blevet etableret som yderst pålidelig, effektiv og sikker teknik til at producere grafenplader af høj kvalitet i store mængder på fuldt industrielt niveau. Da brugen af barske opløsningsmidler altid ledsages af omkostninger, kontaminering, kompleks fjernelse og bortskaffelse, sikkerhedsproblemer samt miljøbelastning, er et ikke-giftigt og sikrere alternativ betydeligt fordelagtigt. Grafen exfoliation ved hjælp af vand som opløsningsmiddel og effekt ultralyd til mekanisk delamination af få lag grafenplader er derfor en meget lovende teknik til en grøn grafen fremstilling.
Almindelige opløsningsmidler, der ofte anvendes som flydende fase til spredning af grafen nanoark, omfatter Dimethyl sulfoxid (DMSO), N,N-dimethylformamid (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), Tetramethylurea (TMU), Tetrahydrofuran (THF), propylencarbonataceton (PC), ethanol og formamid.
Som en allerede langsigtet etableret teknik til grafen exfoliation i kommerciel skala gør ultralydning det muligt at producere grafen af høj kvalitet med høj renhed til lave omkostninger. Da ultralyd grafen exfoliation kan være helt lineær skaleret til ethvert volumen, kan produktionsudbyttet af grafenflager af høj kvalitet let implementeres til masseproduktion af grafen.
Det UIP2000hdT er en 2kW kraftig ultralyd disperser for grafen eksfoliering og spredning.
Ultralyd eksfoliering af grafen i vand
Tyurnina et al. (2020) undersøgte virkningerne af amplitude og sonikeringsintensitet på rene vandgrafitopløsninger og den resulterende grafenudslettelse. I undersøgelsen brugte de en Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultralyd exfoliation ved hjælp af vand blev anvendt som et enkelt trin proces for få lag grafen delamination. En kort behandling på 2 timer var tilstrækkelig til at producere få lag grafen i en åben bæger sonikering setup.
En højhastighedssekvens (fra a til f) af rammer, der illustrerer sonomekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200'erne, en 24 kHz ultralydsbekæmper med 3 mm sonotrode. Pile viser stedet for opdeling (eksfoliering) med kavitationsbobler, der trænger ind i opdelingen.
© Tyurnina m.fl. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Optimering af ultralyd grafen eksfoliering
Ultralydsopsætningen, der bruges af Tyurnina et al. (2020), kan let optimeres for mere effektivitet og hurtigere eksfoliering ved hjælp af en lukket ultralydsreaktor i flow-through-tilstand. Ultralyd inline behandling giver mulighed for en betydeligt mere ensartet ultralydsbehandling af alle grafit råvarer: fodring grafit / vand løsning direkte ind i det begrænsede rum af ultralyd kavitation, alle grafit bliver ensartet sonikeret resulterer i et højt udbytte af høj kvalitet grafen flager.
Hielscher Ultrasonics-systemer giver mulighed for præcis kontrol over alle vigtige behandlingsparametre såsom amplitude, tid / tilbageholdelse, energiinput (WS / mL), tryk og temperatur. Indstilling af de optimale ultralydsparametre resulterer i højeste udbytte, kvalitet og samlede effektivitet.
Hvordan fremmer ultralydbehandling grafen exfoliation
Når ultralydbølger med høj effekt kobles til en gylle af grafitpulver og vand eller opløsningsmiddel, skaber sonomekaniske kræfter som højforskydning, intense turbulenser og højtryks- og temperaturforskelle energiintensive forhold. Disse energiintensive forhold er resultatet af fænomenet akustisk kavitation. Læs mere om ultralydskavitation her!
Effekt ultralyd indleder udvidelsen af grafitpulveret, da væsker presses mellem grafenlagene, hvoraf grafit er sammensat. Ultralydsforskydningskræfterne delaminerer de enkelte ark grafen og spreder dem som grafenflager i opløsningen. For at opnå langsigtet stabilitet af grafen i vand kræves et overfladeaktivt middel.
Mechnisme af ultralyd flydende fase eksfoliering af grafen eksfoliering.
Undersøgelse og billede af Tyurnina et al., 2021.
Højtydende ultralydsapparater til graphen-eksfoliering
De smarte funktioner i Hielscher ultralydsapparater er designet til at garantere pålidelig drift, reproducerbare resultater og brugervenlighed. Betjeningsindstillinger kan nemt tilgås og ringes op via intuitiv menu, som kan tilgås via digital farve touch-display og browser fjernbetjening. Derfor registreres alle behandlingsforhold som nettoenergi, total energi, amplitude, tid, tryk og temperatur automatisk på et indbygget SD-kort. Dette giver dig mulighed for at revidere og sammenligne tidligere sonikering kører og for at optimere grafen eksfoliering proces til højeste effektivitet.
Hielscher Ultrasonics systemer anvendes over hele verden til fremstilling af grafenplader og grafenoxider af høj kvalitet. Hielscher industrielle ultralydsapparater kan nemt køre høje amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på op til 200μm kan nemt genereres kontinuerligt med standard sonotoder (ultralydsonder / horn og cascatrodesTm). For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssontroder tilgængelige. På grund af deres robusthed og lave vedligeholdelse er vores ultralydsfrifolieringssystemer almindeligt installeret til tunge applikationer og i krævende miljøer.
Hielscher ultralyd processorer til grafen eksfoliering er allerede installeret over hele verden på kommerciel skala. Kontakt os nu for at diskutere din grafen fremstillingsproces! Vores erfarne medarbejdere vil med glæde dele mere information om eksfolieringsprocessen, ultralydssystemer og priser!
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater:
| Batch Volumen | Strømningshastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 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! / Spørg Os!
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydhomogenisatorer til blanding af applikationer, dispersion, emulgering og udvinding på laboratorium, pilot og industriel skala.
Litteratur / Referencer
- 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 Værd at vide
Graphene
Graphene er et monolag af sp2-bundne carbonatomer. Graphene tilbyder unikke materialeegenskaber såsom et ekstraordinært stort specifikt overfladeareal (2620 m2g-1), Overlegne mekaniske egenskaber med et Youngs modul på 1 tPA og en iboende styrke på 130 GPa, en ekstremt høj elektronisk ledningsevne (stuetemperatur elektron mobilitet på 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), Meget høj varmeledningsevne (over 3000 W m K-1), For at nævne de vigtigste egenskaber. På grund af dens overlegne materialeegenskaber, er graphene meget brugt i udvikling og produktion af højtydende batterier, brændselsceller, solceller, superkondensator, hydrogencarbonater lagre, elektromagnetiske skjolde og elektroniske apparater. Endvidere er graphene inkorporeret i mange nanokompositter og kompositmaterialer som forstærkende tilsætningsstof, f.eks i polymerer, keramik og metal matricer. Grund af sin høje ledningsevne, graphen er en vigtig bestanddel af ledende malinger og trykfarver.
Den hurtige og sikre ultralyds fremstilling af fejlfri graphene ved store mængder til lave omkostninger giver mulighed for at udvide ansøgningerne fra graphene til flere og flere industrier.
Grafen er et et-atom-tykt lag af kulstof, som kan beskrives som en enkeltlags eller 2D-struktur af grafen (enkeltlagsgrafen = SLG). Graphene har et ekstraordinært stort specifikt overfladeareal og overlegne mekaniske egenskaber (Youngs modul med 1 TPa og egen styrke på 130 GPa), giver stor elektronisk og termisk ledningsevne, ladningsbærers mobilitet, gennemsigtighed og er uigennemtrængelig for gasser. På grund af disse materielle egenskaber anvendes grafen som forstærkende additiv til at give kompositter sin styrke, konduktivitet osv. For at kombinere karakteristika for grafen med andre materialer skal grafen dispergeres i forbindelsen eller påføres som en tyndfilmcoating på et substrat.
Højtydende ultralyd! Hielschers produktsortiment dækker hele spektret fra den kompakte lab ultrasonicator over bench-top enheder til fuld-industrielle ultralydsystemer.