Vandbaseret grafen eksfoliering
Ultralydseksfoliering gør det muligt at producere fålags grafen uden brug af skrappe opløsningsmidler kun ved hjælp af rent vand. Højeffekt sonikering delaminerer grafenplader inden for en kort behandling. Undgåelse af opløsningsmidler gør grafeneksfoliering i en grøn, bæredygtig proces.
Grafenproduktion via eksfoliering i flydende fase
Grafen fremstilles kommercielt via såkaldt væskefaseeksfoliering. Eksfoliering af grafen i flydende fase kræver brug af giftige, miljøskadelige og dyre opløsningsmidler, der anvendes som kemisk forbehandling eller i kombination med en mekanisk dispersionsteknik. Til mekanisk spredning af grafenpladerne er ultralydbehandling blevet etableret som en meget pålidelig, effektiv og sikker teknik til fremstilling af grafenplader af høj kvalitet i store mængder på fuldt industrielt niveau. Da brugen af skrappe opløsningsmidler altid ledsages af omkostninger, forurening, kompleks fjernelse og bortskaffelse, sikkerhedsproblemer samt miljøbelastning, er et ugiftigt og sikrere alternativ betydeligt fordelagtigt. Grafeneksfoliering ved hjælp af vand som opløsningsmiddel og power ultralyd til mekanisk delaminering af få lag grafenplader er derfor en meget lovende teknik til fremstilling af grøn grafen.
Almindelige opløsningsmidler, som ofte bruges som flydende fase til at dispergere grafen-nanoark, omfatter dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-dimethylformamid (DMF), N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), Tetramethylurinstof (TMU), Tetrahydrofuran (THF), propylencarbonateacetone (PC), ethanol og formamid.
Som en allerede langsigtet etableret teknik til grafeneksfoliering i kommerciel skala gør ultralydbehandling det muligt at producere grafen af høj kvalitet med høj renhed til lave omkostninger. Da ultralydsgrafeneksfoliering kan skaleres fuldstændigt lineært til ethvert volumen, kan produktionsudbyttet af grafenflager af høj kvalitet let implementeres til masseproduktion af grafen.
UIP2000hdT er en 2kW kraftig ultralydsdisperger til eksfoliering og dispersion af grafen.
Ultralydseksfoliering af grafen i vand
Tyurnina et al. (2020) undersøgte virkningerne af amplitude og sonikeringsintensitet på rene vand-grafitopløsninger og den resulterende grafeneksfoliering. I undersøgelsen brugte de en Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultralydseksfoliering ved hjælp af vand blev anvendt som en enkelttrinsproces til fålags grafendelaminering. En kort behandling på 2 timer var tilstrækkelig til at producere fålags grafen i en åben bægersonikeringsopsætning.
En højhastighedssekvens (fra a til f) af billeder, der illustrerer sono-mekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200s, en 24 kHz ultralydsapparat med 3 mm sonotrode. Pile viser stedet for opdeling (eksfoliering) med kavitationsbobler, der trænger ind i splittelsen.
© Tyurnina et al., 2020
Optimering af ultralydsgrafeneksfoliering
Ultralydsopsætningen, der bruges af Tyurnina et al. (2020) kan let optimeres til mere effektivitet og hurtigere eksfoliering ved at bruge en lukket ultralydsreaktor i gennemstrømningstilstand. Ultralyd inline-behandling giver mulighed for en betydeligt mere ensartet ultralydsbehandling af alt grafitråmateriale: fodring af grafit / vandopløsning direkte ind i det lukkede rum af ultralydskavitation, al grafit bliver ensartet sonikeret, hvilket resulterer i et højt udbytte af grafenflager af høj kvalitet.
Hielscher Ultrasonics-systemer giver mulighed for præcis kontrol over alle vigtige behandlingsparametre såsom amplitude, tid / opbevaring, energiinput (Ws / ml), tryk og temperatur. Indstilling af de optimale ultralydsparametre resulterer i højeste udbytte, kvalitet og samlet effektivitet.
Hvordan fremmer ultralydbehandling grafeneksfoliering
Når ultralydsbølger med høj effekt kobles til en opslæmning af grafitpulver og vand eller et hvilket som helst opløsningsmiddel, skaber sonomekaniske kræfter såsom høj forskydning, intense turbulenser og høje tryk- og temperaturforskelle energiintensive forhold. Disse energiintensive forhold er resultatet af fænomenet akustisk kavitation.
Læs mere om ultralydskavitation her!
Effekten ultralyd initierer 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 stof.
Mechnisme af ultralyd flydende fase eksfoliering af grafeneksfoliering.
Undersøgelse og billede af Tyurnina et al., 2021.
Højtydende ultralydapparater til grafeneksfoliering
De smarte funktioner i Hielscher ultralydapparater er designet til at garantere pålidelig drift, reproducerbare resultater og brugervenlighed. Driftsindstillinger kan nemt tilgås og indstilles via en intuitiv menu, som kan tilgås via digitalt farveberøringsdisplay og browserfjernbetjening. Derfor registreres alle bearbejdningsforhold 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 sonikeringskørsler og optimere grafeneksfolieringsprocessen til højeste effektivitet.
Hielscher Ultrasonics-systemer bruges over hele verden til fremstilling af grafenplader og grafenoxider af høj kvalitet. Hielscher industrielle ultralydapparater kan let køre høje amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på op til 200 μm kan let genereres kontinuerligt med standard sonotroder (ultralydssonder / horn og CascatrodesTM). For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige. På grund af deres robusthed og lave vedligeholdelse installeres vores ultralydseksfolieringssystemer almindeligvis til tunge applikationer og i krævende miljøer.
Hielscher ultralydsprocessorer til grafeneksfoliering er allerede installeret over hele verden i kommerciel skala. Kontakt os nu for at diskutere din grafenfremstillingsproces! Vores erfarne personale vil med glæde dele mere information om eksfolieringsprocessen, ultralydssystemer og priser!
For at lære mere om ultralydsgrafensyntese, dispersion og funktionalisering, klik venligst her:
- Produktion af grafen
- Grafen nanoblodplader
- Vandbaseret grafen eksfoliering
- Vanddispergerbar grafen
- grafenoxid
- Xener
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsapplikationer, dispersion, 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.
Fakta, der er værd at vide
Hvad er grafen?
Grafen er et monolag af sp2-bundne kulstofatomer. Grafen tilbyder unikke materialeegenskaber såsom et ekstraordinært stort specifikt overfladeareal (2620 m2g-1), overlegne mekaniske egenskaber med et Young's-modul på 1 TPa og en iboende styrke på 130 GPa, en ekstremt høj elektronisk ledningsevne (elektronmobilitet ved stuetemperatur 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 dets overlegne materialeegenskaber bruges grafen i høj grad til udvikling og produktion af højtydende batterier, brændselsceller, solceller, superkondensatorer, brintlagre, elektromagnetiske skærme og elektroniske enheder. Desuden inkorporeres grafen i mange nanokompositter og kompositmaterialer som forstærkende additiv, f.eks. i polymerer, keramik og metalmatricer. På grund af sin høje ledningsevne er grafen en vigtig komponent i ledende maling og blæk.
Den hurtige og sikre ultralydsfremstilling af defektfri grafen i store mængder til lave omkostninger giver mulighed for at udvide anvendelserne af grafen 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 (enkeltlags grafen = SLG). Grafen har et ekstraordinært stort specifikt overfladeareal og overlegne mekaniske egenskaber (Youngs modul på 1 TPa og iboende styrke på 130 GPa), tilbyder stor elektronisk og termisk ledningsevne, ladningsbærermobilitet, gennemsigtighed og er uigennemtrængelig for gasser. På grund af disse materialeegenskaber bruges grafen som forstærkende additiv for at give kompositter dets styrke, ledningsevne osv. For at kombinere grafens egenskaber med andre materialer skal grafen dispergeres i forbindelsen eller påføres som en tyndfilmsbelægning på et substrat.
Højtydende ultralyd! Hielschers produktsortiment dækker hele spektret fra den kompakte laboratorieultralydsapparat over bordenheder til fuldindustrielle ultralydssystemer.