Wasserbasierte Graphenexfoliation
Die Ultraschallexfoliation ermöglicht die Herstellung von Graphen mit wenigen Lagen ausschließlich mit reinem Wasser, ohne aggressive Lösungsmittel einzusetzen. Leistungsultraschall delaminiert Graphenschichten innerhalb kurzer Behandlungszeit. Der Verzicht auf Lösungsmittel macht die Graphenexfoliation zu einem umweltfreundlichen, nachhaltigen Verfahren.
Graphenherstellung durch Flüssigphasenexfoliation
Graphen wird kommerziell durch die sogenannte Flüssigphasenexfoliation hergestellt. Die Flüssigphasenexfoliation von Graphen erfordert den Einsatz toxischer, umweltschädlicher und teurer Lösungsmittel zur chemischen Vorbehandlung oder in Kombination mit einem mechanischen Dispergierverfahren. Für die mechanische Dispergierung der Graphenschichten hat sich die Ultraschallbehandlung als äußerst zuverlässiges, effizientes und sicheres Verfahren etabliert, um hochwertige Graphenschichten in großen Mengen im industriellen Maßstab herzustellen. Da der Einsatz aggressiver Lösungsmittel stets mit Kosten, Verunreinigungen, aufwendiger Entfernung und Entsorgung, Sicherheitsbedenken sowie Umweltbelastungen verbunden ist, bietet eine ungiftige und sicherere Alternative erhebliche Vorteile. Die Graphenexfoliation mit Wasser als Lösungsmittel und Leistungsultraschall zur mechanischen Delaminierung von Graphenschichten mit wenigen Lagen ist daher ein besonders vielversprechendes Verfahren für eine umweltfreundliche Graphenherstellung.
Zu den gängigen Lösungsmitteln, die häufig als flüssige Phase zur Dispergierung von Graphen-Nanoschichten verwendet werden, gehören Dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Tetramethylharnstoff (TMU), Tetrahydrofuran (THF), Propylencarbonataceton (PC), Ethanol und Formamid.
Als seit Langem etabliertes Verfahren zur Graphenexfoliation im kommerziellen Maßstab ermöglicht die Ultraschallbehandlung die kostengünstige Herstellung von hochwertigem Graphen mit hoher Reinheit. Da die Ultraschallexfoliation von Graphen vollständig linear auf jedes beliebige Volumen skaliert werden kann, lässt sich die Produktion hochwertiger Graphenflocken problemlos auf die Massenproduktion von Graphen übertragen.
Der UIP2000hdT ist ein Ultraschalldispergierer mit 2 kW Leistung zur Exfoliation und Dispergierung von Graphen.
Ultraschallexfoliation von Graphen in Wasser
Tyurnina et al. (2020) untersuchten die Auswirkungen von Amplitude und Beschallungsintensität auf Graphitlösungen in reinem Wasser und die daraus resultierende Graphenexfoliation. In der Studie verwendeten sie einen Hielscher UP200S (200 W, 24 kHz). Die Ultraschallexfoliation mit Wasser wurde als einstufiges Verfahren zur Delaminierung von Graphen mit wenigen Lagen eingesetzt. Eine kurze Behandlung von 2 h reichte aus, um Graphen mit wenigen Lagen in einem Beschallungsaufbau mit offenem Becherglas herzustellen.
Eine Hochgeschwindigkeits-Bildsequenz (von a bis f) veranschaulicht die sonomechanische Exfoliation einer Graphitflocke in Wasser mit dem UP200s, einem Ultraschallgerät mit 24 kHz und einer 3-mm-Sonotrode. Die Pfeile zeigen die Stelle der Aufspaltung (Exfoliation), an der Kavitationsblasen in den Spalt eindringen.
© Tyurnina et al., 2020
Optimierung der Ultraschallexfoliation von Graphen
Der von Tyurnina et al. (2020) verwendete Ultraschallaufbau lässt sich durch den Einsatz eines geschlossenen Ultraschallreaktors im Durchflussbetrieb einfach für eine höhere Effizienz und schnellere Exfoliation optimieren. Die Inline-Ultraschallbehandlung ermöglicht eine deutlich gleichmäßigere Beschallung des gesamten Graphitrohstoffs: Durch die direkte Zuführung der Graphit-Wasser-Lösung in den räumlich begrenzten Bereich der Ultraschallkavitation wird der gesamte Graphit gleichmäßig beschallt, was zu einer hohen Ausbeute an hochwertigen Graphenflocken führt.
Die Systeme von Hielscher Ultrasonics ermöglichen die präzise Steuerung aller wichtigen Prozessparameter wie Amplitude, Behandlungszeit / Verweilzeit, Energieeintrag (Ws/mL), Druck und Temperatur. Die Einstellung optimaler Ultraschallparameter führt zu höchster Ausbeute, Qualität und Gesamteffizienz.
Wie fördert die Ultraschallbehandlung die Graphenexfoliation?
Wenn leistungsstarke Ultraschallwellen in eine Suspension aus Graphitpulver und Wasser oder einem beliebigen Lösungsmittel eingekoppelt werden, erzeugen sonomechanische Kräfte wie starke Scherkräfte, intensive Turbulenzen sowie große Druck- und Temperaturunterschiede energiereiche Bedingungen. Diese energiereichen Bedingungen entstehen durch das Phänomen der akustischen Kavitation.
Lesen Sie hier mehr über Ultraschallkavitation!
Leistungsultraschall leitet die Expansion des Graphitpulvers ein, indem Flüssigkeiten zwischen die Graphenlagen gepresst werden, aus denen Graphit besteht. Die Ultraschallscherkräfte delaminieren die einzelnen Graphenschichten und dispergieren sie als Graphenflocken in der Lösung. Für die Langzeitstabilität von Graphen in Wasser ist ein Tensid erforderlich.
Mechanismus der ultraschallgestützten Flüssigphasenexfoliation von Graphen.
Studie und Abbildung von Tyurnina et al., 2021.
Hochleistungs-Ultraschallgeräte zur Graphenexfoliation
Die intelligenten Funktionen der Ultraschallgeräte von Hielscher sind darauf ausgelegt, einen zuverlässigen Betrieb, reproduzierbare Ergebnisse und Benutzerfreundlichkeit zu gewährleisten. Die Betriebseinstellungen lassen sich über ein intuitives Menü einfach aufrufen und auswählen, das über ein digitales Farb-Touchdisplay und eine Browser-Fernsteuerung zugänglich ist. Dabei werden alle Prozessbedingungen wie Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Zeit, Druck und Temperatur automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet. So können Sie frühere Beschallungsläufe überprüfen und vergleichen und den Graphenexfoliationsprozess auf höchste Effizienz optimieren.
Die Systeme von Hielscher Ultrasonics werden weltweit zur Herstellung hochwertiger Graphenschichten und Graphenoxide eingesetzt. Industrielle Ultraschallgeräte von Hielscher können problemlos mit hohen Amplituden im Dauerbetrieb (24/7/365) arbeiten. Amplituden von bis zu 200 µm lassen sich mit Standardsonotroden problemlos kontinuierlich erzeugen (Ultraschallsonden / -hörner und CascatrodesTM). Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Aufgrund ihrer Robustheit und ihres geringen Wartungsbedarfs werden unsere Ultraschallexfoliationssysteme häufig für Anwendungen unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen installiert.
Ultraschallprozessoren von Hielscher zur Graphenexfoliation sind bereits weltweit im kommerziellen Maßstab installiert. Kontaktieren Sie uns jetzt, um Ihren Prozess zur Graphenherstellung zu besprechen! Unsere erfahrenen Mitarbeiter informieren Sie gerne ausführlicher über den Exfoliationsprozess, Ultraschallsysteme und Preise!
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- Graphenherstellung
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- Wasserdispergierbares Graphen
- Graphenoxid
- Xene
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 1 bis 500 mL | 10 bis 200 mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000 mL | 20 bis 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20 L | 0,2 bis 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 L | 2 bis 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.
Literatur / Quellen
- 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.
Wissenswertes
Was ist Graphen?
Graphen ist eine Monolage aus sp2-gebundenen Kohlenstoffatomen. Graphen bietet einzigartige Materialeigenschaften wie eine außerordentlich große spezifische Oberfläche (2620 m2 g-1), hervorragende mechanische Eigenschaften mit einem Elastizitätsmodul von 1 TPa und einer intrinsischen Festigkeit von 130 GPa, eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit (Elektronenbeweglichkeit bei Raumtemperatur von 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit (über 3000 W m K-1), um die wichtigsten Eigenschaften zu nennen. Aufgrund seiner hervorragenden Materialeigenschaften wird Graphen vielfach bei der Entwicklung und Herstellung leistungsfähiger Batterien, Brennstoffzellen, Solarzellen, Superkondensatoren, Wasserstoffspeicher, elektromagnetischer Abschirmungen und elektronischer Geräte eingesetzt. Darüber hinaus wird Graphen als verstärkender Zusatzstoff in viele Nanokomposite und Verbundwerkstoffe eingearbeitet, z.B. in Polymere, Keramiken und Metallmatrizen. Aufgrund seiner hohen Leitfähigkeit ist Graphen ein wichtiger Bestandteil leitfähiger Farben und Tinten.
Die schnelle, sichere und kostengünstige Herstellung von defektfreiem Graphen in großen Mengen mittels Ultraschall ermöglicht es, die Anwendungen von Graphen auf immer mehr Branchen auszuweiten.
Graphen ist eine ein Atom dicke Kohlenstoffschicht, die als einlagige oder 2D-Struktur von Graphen beschrieben werden kann (einlagiges Graphen = SLG). Graphen besitzt eine außerordentlich große spezifische Oberfläche und hervorragende mechanische Eigenschaften (Elastizitätsmodul von 1 TPa und intrinsische Festigkeit von 130 GPa), bietet eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und Transparenz und ist für Gase undurchlässig. Aufgrund dieser Materialeigenschaften wird Graphen als verstärkender Zusatzstoff eingesetzt, um Verbundwerkstoffen seine Festigkeit, Leitfähigkeit usw. zu verleihen. Um die Eigenschaften von Graphen mit denen anderer Materialien zu kombinieren, muss Graphen im Verbundwerkstoff dispergiert oder als Dünnschichtbeschichtung auf ein Substrat aufgebracht werden.
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