Wasser-basierte Graphen-Exfolierung
Die Ultraschallexfolierung ermöglicht die Herstellung von Graphen in wenigen Schichten ohne den Einsatz von harschen Lösungsmitteln - nur mit reinem Wasser. Die Hochleistungsbeschallung delaminiert Graphenschichten innerhalb einer kurzen Behandlung. Der Verzicht auf Lösungsmittel macht die Graphenexfolierung zu einem grünen, nachhaltigen Prozess.
Graphenherstellung mittels Flüssigphasen-Exfolierung
Graphen wird kommerziell über die sogenannte Flüssigphasen-Exfolierung hergestellt. Die Flüssigphasen-Exfolierung von Graphen erfordert den Einsatz von toxischen, umweltschädlichen und teuren Lösungsmitteln, die als chemische Vorbehandlung oder in Kombination mit einer mechanischen Dispersionstechnik eingesetzt werden. Für die mechanische Dispersion der Graphenblätter hat sich die Ultraschallbehandlung als sehr zuverlässige, effiziente und sichere Technik etabliert, um qualitativ hochwertige Graphenblätter in großen Mengen auf vollindustriellem Niveau herzustellen. Da der Einsatz von scharfen Lösungsmitteln immer mit Kosten, Verunreinigungen, aufwändiger Separation und Entsorgung, Sicherheitsbedenken sowie Umweltbelastungen einhergeht, ist eine ungiftige und sicherere Alternative deutlich vorteilhafter. Die Graphen-Exfoliation unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel und Power-Ultraschall zur mechanischen Delamination von Graphenschichten ist daher eine vielversprechende Technik für eine grüne Graphenherstellung.
Zu den gängigen Lösungsmitteln, welche häufig als Flüssigphase zur Dispersion von Graphen-Nanoblättern verwendet werden, gehören Dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Tetramethylharnstoff (TMU), Tetrahydrofuran (THF), Propylencarbonataceton (PC), Ethanol und Formamid.
Als bereits langjährig etablierte Technik zur Graphenexfolierung im kommerziellen Maßstab ermöglicht die Ultraschalltechnik die Herstellung von hochwertigem Graphen mit hoher Reinheit zu geringen Kosten. Da die Graphen-Exfolierung mit Ultraschall vollständig linear auf jedes Volumen skaliert werden kann, lässt sich die Produktionsausbeute für hochwertige Graphenblätter problemlos auf die Massenproduktion von Graphen übertragen.
Der UIP2000hdT ist ein 2kW starker Ultraschall-Dispergierer für die Graphen-Exfolierung und -Dispersion.
Ultraschall-Exfolierung von Graphen in Wasser
Tyurnina et al. (2020) untersuchten die Auswirkungen von Ultraschall-Amplitude und Beschallungsintensität auf reine Wasser-Graphit-Lösungen und die resultierende Graphen-Exfolierung. In der Studie verwendeten sie einen Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Die Ultraschall-Exfolierung mit Wasser wurde als einstufiger Prozess für die Delamination von Graphen in wenigen Schichten angewendet. Eine kurze Behandlung von 2h reichte aus, um Graphen, bestehend aus wenigen Schichten, durch Beschallung in einem offenen Becherglas zu erzeugen.
Eine Hochgeschwindigkeitssequenz von Bildern (a bis f), welche die sonomechanische Exfolierung einer Graphitflocke in Wasser mit dem UP200S, einem Hielscher 24-kHz-Ultraschallgerät mit 3-mm-Sonotrode, zeigen. Pfeile zeigen die Punkte der Spaltung (Exfolierung) durch Kavitationsblasen, welche in die erzeugten Spalten eindringen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Optimierung des Graphen-Exfolierungsverfahrens mittels Ultraschall
Der von Tyurnina et al. (2020) verwendete Ultraschallaufbau kann leicht für mehr Effizienz und schnellere Exfolierung optimiert werden, indem ein geschlossener Ultraschallreaktor im Durchflussmodus verwendet wird. Die Inline-Ultraschallbehandlung ermöglicht eine wesentlich gleichmäßigere Ultraschallbehandlung des gesamten Graphit-Rohmaterials: Durch die Zuführung der Graphit/Wasser-Lösung direkt in den begrenzten Raum der Ultraschallkavitation wird der gesamte Graphit gleichmäßig beschallt, was zu einer hohen Ausbeute an hochwertigen Graphenblättern führt.
Hielscher Ultraschallsysteme ermöglichen eine präzise Steuerung aller wichtigen Verarbeitungsparameter wie Amplitude, Zeit bzw. Verweildauer, Energieeintrag (Ws/mL), Druck und Temperatur. Die Einstellung der optimalen Ultraschallparameter führt zu höchster Ausbeute, Qualität und Gesamteffizienz.
Wie funktioniert die Ultraschall-gestützte Graphenexfolierung?
Wenn Hochleistungs-Ultraschallwellen in eine Slurry aus Graphitpulver und Wasser bzw. einem anderen beliebigen Lösungsmittel eingekoppelt werden, entstehen dadurch sonomechanische Kräfte wie hohe Scherung, intensive Turbulenzen und hohe Druck- und Temperaturunterschiede. Diese energieintensiven Bedingungen sind das Resultat des Phänomens der akustischen Kavitation und resultieren in einer Delaminierung der Graphen-Schichten und deren gleichmäßigen Dispersion. Lesen Sie hier mehr über Ultraschall-Kavitation!
Der Leistungs-Ultraschall initiiert die Expansion des Graphitpulvers, da Flüssigkeiten zwischen die Graphenschichten gepresst werden, aus denen sich Graphit zusammensetzt. Die Ultraschall-Scherkräfte delaminieren die einzelnen Graphenschichten und dispergieren sie als Graphenblätter in der Lösung. Um eine Langzeitstabilität von Graphen in Wasser zu erreichen, wird häufig ein Tensid zugesetzt.
Technik der Ultraschall-Flüssigphasen-Exfoliation von Graphen-Exfoliation.
Studie und Bild von Tyurnina et al., 2021.
Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Graphen-Exfolierung
Die intelligenten Funktionen der Hielscher Ultraschallgeräte sind so konzipiert, dass sie einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und eine hohe Bedienerfreundlichkeit garantieren. Betriebseinstellungen lassen sich über ein intuitives Menü, das über ein digitales Farb-Touch-Display und eine Browser-Fernbedienung zugänglich ist, einfach aufrufen und anwählen. Dabei werden alle Prozessbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur automatisch auf einer eingebauten SD-Karte aufgezeichnet. Dies ermöglicht es Ihnen, frühere Beschallungsläufe aufzurufen und zu vergleichen und den Graphen-Exfolierungsprozess auf höchste Effizienz zu optimieren.
Hielscher Ultrasonics Ultraschallsysteme werden weltweit für die Herstellung von hochwertigen Graphenblättern und Graphenoxiden eingesetzt. Hielscher Industrie-Ultraschallgeräte können problemlos hohe Amplituden im Dauerbetrieb (24/7/365) fahren. Amplituden bis zu 200µm können mit Standard-Sonotroden (Ultraschallsonden / -hörnern) sowie CascatrodenTM problemlos kontinuierlich erzeugt werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsaufwands werden unsere Ultraschallexfolierungssysteme häufig für Hochleistungsanwendungen und in anspruchsvollen Umgebungen installiert.
Hielscher Ultraschall-Prozessoren für die Graphen-Exfolierung sind bereits weltweit im kommerziellen Maßstab installiert. Kontaktieren Sie uns jetzt, um Ihren Graphen-Herstellungsprozess zu besprechen! Unsere erfahrenen Mitarbeiter geben Ihnen gerne weitere Informationen über den Exfolierungsprozess, die Ultraschallsysteme sowie Preise!
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 1 bis 500ml | 10 bis 200ml/min | UP100H |
| 10 bis 2000ml | 20 bis 400ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 bis 20l | 0,2 bis 4l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100l | 2 bis 10l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.
Literatur / Literaturhinweise
- 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.
Wissenswertes
Graphen
Graphene ist eine Monoschicht aus sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen. Graphen bietet einzigartige Materialeigenschaften wie z.B. eine besonders hohe spezifische Oberfläche (2620 m2g-1), überragende mechanische Eigenschaften mit einem Elastizitätsmodul von 1tPA und Zugfestigkeit von 130 GPa, extrem hoher elektrischen Leitfähigkeit (bei Raumtemperatur Elektronenbeweglichkeit von 2,5x105 cm2 V-1s-1), sehr hohe Wärmeleitfähigkeit (über 3000 W m K-1), um die wichtigsten Eigenschaften zu nennen. Aufgrund seiner überlegenen Materialeigenschaften wird Graphen in der Entwicklung und Herstellung von Hochleistungsbatterien, Brennstoffzellen, Solarzellen, Superkondensatoren, Wasserstoffspeichern, elektromagnetischen Abschirmungen und elektronischen Geräten verwendet. Zudem wird Graphen als verstärkender Nanofüllstoff in zahlreichen Nanokompositen und Verbundmaterialien verarbeitet, z.B. in Polymeren, Keramiken und Metallmatrizen. Aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit, ist Graphen ein wichtiger Bestandteil von leitfähigen Farben und Tinten.
Die schnelle und sichere ultraschall-gestützte Produktion defektfreien Graphens ermöglicht die Verarbeitung großer Mengen bei niedrigen Kosten, um die zunehmende Nachfrage nach hochwertigem Graphen zu befriedigen.
Graphen ist eine Kohlenstoffschicht, welche die Dicke eines einzelnen Atoms aufweist und somit eine einschichtige bzw. 2D-Struktur hat (single-layered graphene = SLG). Graphen verfügt über eine außerordentlich hohe spezifische Oberfläche und außerordentliche mechanische Eigenschaften (Elastizitätsmodul von 1TPa und intrinsische Festigkeit von 130 GPa), bietet sehr hohe elektronische und thermische Leitfähigkeit, Ladungsträgerbeweglichkeit, Transparenz und ist für Gase undurchlässig. Aufgrund dieser Materialeigenschaften wird Graphen als Nanofüllstoff verwendet, um Verbundwerkstoffen diese Festigkeit, Leitfähigkeit usw. zu verleihen. Um die Eigenschaften von Graphen mit anderen Materialien zu kombinieren, muss Graphen in die Matrix dispergiert oder als Dünnfilmbeschichtung auf ein Substrat aufgetragen werden.
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