Απολέπιση γραφενίου με βάση το νερό
Η απολέπιση με υπερήχους επιτρέπει την παραγωγή γραφενίου λίγων στρωμάτων χωρίς τη χρήση δραστικών διαλυτών, χρησιμοποιώντας μόνο καθαρό νερό. Η κατεργασία με υπερήχους υψηλής ισχύος διαχωρίζει τα φύλλα γραφενίου σε σύντομο χρόνο κατεργασίας. Η αποφυγή των διαλυτών καθιστά την απολέπιση του γραφενίου μια πράσινη, βιώσιμη διεργασία.
Παραγωγή γραφενίου μέσω απολέπισης σε υγρή φάση
Το γραφένιο παράγεται εμπορικά μέσω της λεγόμενης απολέπισης σε υγρή φάση. Η απολέπιση του γραφενίου σε υγρή φάση απαιτεί τη χρήση τοξικών, επιβλαβών για το περιβάλλον και ακριβών διαλυτών, οι οποίοι χρησιμοποιούνται για χημική προκατεργασία ή σε συνδυασμό με μια τεχνική μηχανικής διασποράς. Για τη μηχανική διασπορά των φύλλων γραφενίου, η κατεργασία με υπερήχους έχει καθιερωθεί ως μια εξαιρετικά αξιόπιστη, αποδοτική και ασφαλής τεχνική για την παραγωγή φύλλων γραφενίου υψηλής ποιότητας σε μεγάλες ποσότητες, σε πλήρως βιομηχανική κλίμακα. Καθώς η χρήση δραστικών διαλυτών συνοδεύεται πάντα από κόστος, επιμόλυνση, πολύπλοκη απομάκρυνση και διάθεση, ζητήματα ασφάλειας, καθώς και περιβαλλοντική επιβάρυνση, μια μη τοξική και ασφαλέστερη εναλλακτική λύση προσφέρει σημαντικά πλεονεκτήματα. Η απολέπιση του γραφενίου με χρήση νερού ως διαλύτη και υπερήχων ισχύος για τον μηχανικό διαχωρισμό φύλλων γραφενίου λίγων στρωμάτων αποτελεί επομένως μια πολλά υποσχόμενη τεχνική για την πράσινη παραγωγή γραφενίου.
Στους κοινούς διαλύτες που χρησιμοποιούνται συχνά ως υγρή φάση για τη διασπορά νανοφύλλων γραφενίου περιλαμβάνονται το διμεθυλοσουλφοξείδιο (DMSO), το N,N-διμεθυλοφορμαμίδιο (DMF), η N-μεθυλο-2-πυρρολιδόνη (NMP), η τετραμεθυλουρία (TMU), το τετραϋδροφουράνιο (THF), το propylene carbonateacetone (PC), η αιθανόλη και το φορμαμίδιο.
Ως τεχνική που έχει ήδη καθιερωθεί εδώ και πολλά χρόνια για την απολέπιση γραφενίου σε εμπορική κλίμακα, η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την παραγωγή γραφενίου υψηλής ποιότητας και υψηλής καθαρότητας με χαμηλό κόστος. Καθώς η απολέπιση γραφενίου με υπερήχους μπορεί να κλιμακωθεί πλήρως γραμμικά σε οποιονδήποτε όγκο, η απόδοση παραγωγής νιφάδων γραφενίου υψηλής ποιότητας μπορεί εύκολα να αξιοποιηθεί για τη μαζική παραγωγή γραφενίου.
Το UIP2000hdT είναι ένας ισχυρός διασπορέας υπερήχων 2kW για την απολέπιση και τη διασπορά γραφενίου.
Απολέπιση γραφενίου με υπερήχους σε νερό
Οι Tyurnina et al. (2020) διερεύνησαν τις επιδράσεις του πλάτους ταλάντωσης και της έντασης της κατεργασίας με υπερήχους σε διαλύματα καθαρού νερού και γραφίτη, καθώς και την προκύπτουσα απολέπιση του γραφενίου. Στη μελέτη χρησιμοποίησαν ένα Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Η απολέπιση με υπερήχους με χρήση νερού εφαρμόστηκε ως διεργασία ενός σταδίου για τον διαχωρισμό γραφενίου λίγων στρωμάτων. Μια σύντομη κατεργασία διάρκειας 2h ήταν επαρκής για την παραγωγή γραφενίου λίγων στρωμάτων σε διάταξη κατεργασίας με υπερήχους σε ανοικτό ποτήρι ζέσεως.
Μια ακολουθία καρέ υψηλής ταχύτητας (από a έως f) που απεικονίζει την ηχομηχανική απολέπιση μιας νιφάδας γραφίτη σε νερό με χρήση του UP200s, μιας συσκευής υπερήχων 24 kHz με ηχοτρόδιο 3-mm. Τα βέλη υποδεικνύουν το σημείο διαχωρισμού (απολέπισης), με φυσαλίδες σπηλαίωσης να διεισδύουν στη σχισμή.
© Tyurnina et al., 2020
Βελτιστοποίηση της απολέπισης γραφενίου με υπερήχους
Η διάταξη υπερήχων που χρησιμοποίησαν οι Tyurnina et al. (2020) μπορεί εύκολα να βελτιστοποιηθεί για μεγαλύτερη αποδοτικότητα και ταχύτερη απολέπιση, χρησιμοποιώντας έναν κλειστό αντιδραστήρα υπερήχων σε λειτουργία συνεχούς ροής. Η κατεργασία με υπερήχους εντός της γραμμής επιτρέπει σημαντικά πιο ομοιόμορφη κατεργασία με υπερήχους ολόκληρης της πρώτης ύλης γραφίτη: με την τροφοδοσία του διαλύματος γραφίτη / νερού απευθείας στον περιορισμένο χώρο της σπηλαίωσης υπερήχων, όλος ο γραφίτης υποβάλλεται ομοιόμορφα σε κατεργασία με υπερήχους, με αποτέλεσμα υψηλή απόδοση σε νιφάδες γραφενίου υψηλής ποιότητας.
Τα συστήματα της Hielscher Ultrasonics επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο όλων των σημαντικών παραμέτρων κατεργασίας, όπως το πλάτος ταλάντωσης, ο χρόνος / χρόνος παραμονής, η εισαγόμενη ενέργεια (Ws/mL), η πίεση και η θερμοκρασία. Η ρύθμιση των βέλτιστων παραμέτρων υπερήχων οδηγεί στην υψηλότερη απόδοση, ποιότητα και συνολική αποδοτικότητα.
Πώς προάγει η κατεργασία με υπερήχους την απολέπιση του γραφενίου
Όταν κύματα υπερήχων υψηλής ισχύος συζεύγνυνται σε έναν πολτό σκόνης γραφίτη και νερού ή οποιουδήποτε διαλύτη, ηχομηχανικές δυνάμεις, όπως η υψηλή διάτμηση, οι έντονοι στροβιλισμοί και οι μεγάλες διαφορές πίεσης και θερμοκρασίας, δημιουργούν συνθήκες υψηλής ενεργειακής έντασης. Αυτές οι συνθήκες υψηλής ενεργειακής έντασης είναι αποτέλεσμα του φαινομένου της ακουστικής σπηλαίωσης.
Διαβάστε περισσότερα για τη σπηλαίωση υπερήχων εδώ!
Οι υπέρηχοι ισχύος προκαλούν την έναρξη της διόγκωσης της σκόνης γραφίτη, καθώς τα ρευστά ωθούνται υπό πίεση ανάμεσα στα στρώματα γραφενίου από τα οποία αποτελείται ο γραφίτης. Οι δυνάμεις διάτμησης των υπερήχων διαχωρίζουν τα μεμονωμένα φύλλα γραφενίου και τα διασπείρουν ως νιφάδες γραφενίου στο διάλυμα. Για να επιτευχθεί μακροχρόνια σταθερότητα του γραφενίου στο νερό, απαιτείται μια επιφανειοδραστική ουσία.
Μηχανισμός απολέπισης γραφενίου με υπερήχους σε υγρή φάση.
Μελέτη και εικόνα από τους Tyurnina et al., 2021.
Συσκευές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την απολέπιση γραφενίου
Οι έξυπνες λειτουργίες των συσκευών υπερήχων της Hielscher έχουν σχεδιαστεί για να εγγυώνται αξιόπιστη λειτουργία, αναπαραγώγιμα αποτελέσματα και ευκολία χρήσης. Η πρόσβαση στις ρυθμίσεις λειτουργίας και η επιλογή τους πραγματοποιούνται εύκολα μέσω ενός εύχρηστου μενού, το οποίο είναι προσβάσιμο από την ψηφιακή έγχρωμη οθόνη αφής και μέσω απομακρυσμένου ελέγχου από πρόγραμμα περιήγησης. Έτσι, όλες οι συνθήκες κατεργασίας, όπως η καθαρή ενέργεια, η συνολική ενέργεια, το πλάτος ταλάντωσης, ο χρόνος, η πίεση και η θερμοκρασία, καταγράφονται αυτόματα σε μια ενσωματωμένη κάρτα SD. Αυτό σας επιτρέπει να επανεξετάζετε και να συγκρίνετε προηγούμενους κύκλους κατεργασίας με υπερήχους και να βελτιστοποιείτε τη διεργασία απολέπισης γραφενίου για την υψηλότερη αποδοτικότητα.
Τα συστήματα της Hielscher Ultrasonics χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για την παραγωγή φύλλων γραφενίου και οξειδίων γραφενίου υψηλής ποιότητας. Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων της Hielscher μπορούν εύκολα να λειτουργούν με υψηλά πλάτη ταλάντωσης σε συνεχή λειτουργία (24/7/365). Πλάτη ταλάντωσης έως 200µm μπορούν εύκολα να παράγονται συνεχώς με τυπικά ηχοτρόδια (ανιχνευτές / κέρατα υπερήχων και CascatrodesTM). Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ειδικά προσαρμοσμένα ηχοτρόδια υπερήχων. Χάρη στην ανθεκτικότητά τους και στις χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης, τα συστήματά μας απολέπισης με υπερήχους εγκαθίστανται συχνά για εφαρμογές βαρέος τύπου και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Οι επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher για την απολέπιση γραφενίου είναι ήδη εγκατεστημένοι παγκοσμίως σε εμπορική κλίμακα. Επικοινωνήστε μαζί μας τώρα για να συζητήσουμε τη διεργασία παραγωγής γραφενίου σας! Το ιδιαίτερα έμπειρο προσωπικό μας θα χαρεί να σας δώσει περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τη διεργασία απολέπισης, τα συστήματα υπερήχων και τις τιμές!
Για να μάθετε περισσότερα για τη σύνθεση, τη διασπορά και τη λειτουργικοποίηση γραφενίου με υπερήχους, κάντε κλικ εδώ:
- Παραγωγή γραφενίου
- Νανοπλακίδια γραφενίου
- Απολέπιση γραφενίου με βάση το νερό
- Γραφένιο διασπειρόμενο στο νερό
- Οξείδιο του γραφενίου
- Xenes
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για εφαρμογές ανάμειξης, διασποράς, γαλακτωματοποίησης και εκχύλισης σε εργαστηριακή, πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- 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.
Στοιχεία που αξίζει να γνωρίζετε
Τι είναι το γραφένιο;
Το γραφένιο είναι μια μονοστιβάδα ατόμων άνθρακα με δεσμούς sp2. Το γραφένιο προσφέρει μοναδικά χαρακτηριστικά υλικού, όπως εξαιρετικά μεγάλη ειδική επιφάνεια (2620 m2 g-1), ανώτερες μηχανικές ιδιότητες με μέτρο ελαστικότητας Young 1 TPa και εγγενή αντοχή 130 GPa, εξαιρετικά υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα (κινητικότητα ηλεκτρονίων σε θερμοκρασία δωματίου 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα (πάνω από 3000 W m K-1), για να αναφέρουμε τις σημαντικότερες ιδιότητες. Χάρη στις ανώτερες ιδιότητές του ως υλικού, το γραφένιο χρησιμοποιείται ευρέως στην ανάπτυξη και την παραγωγή μπαταριών υψηλών επιδόσεων, κυψελών καυσίμου, ηλιακών κυψελών, υπερπυκνωτών, συστημάτων αποθήκευσης υδρογόνου, ηλεκτρομαγνητικών θωρακίσεων και ηλεκτρονικών συσκευών. Επιπλέον, το γραφένιο ενσωματώνεται σε πολλά νανοσύνθετα και σύνθετα υλικά ως ενισχυτικό πρόσθετο, π.χ. σε πολυμερή, κεραμικά και μεταλλικές μήτρες. Λόγω της υψηλής αγωγιμότητάς του, το γραφένιο αποτελεί σημαντικό συστατικό αγώγιμων χρωμάτων και μελανιών.
Η ταχεία και ασφαλής παρασκευή γραφενίου χωρίς ατέλειες με υπερήχους, σε μεγάλους όγκους και με χαμηλό κόστος, επιτρέπει τη διεύρυνση των εφαρμογών του γραφενίου σε όλο και περισσότερους κλάδους.
Το γραφένιο είναι ένα στρώμα άνθρακα πάχους ενός ατόμου, το οποίο μπορεί να περιγραφεί ως μονοστρωματική ή δισδιάστατη (2D) δομή γραφενίου (γραφένιο ενός στρώματος = SLG). Το γραφένιο έχει εξαιρετικά μεγάλη ειδική επιφάνεια και ανώτερες μηχανικές ιδιότητες (μέτρο ελαστικότητας Young 1 TPa και εγγενή αντοχή 130 GPa), προσφέρει υψηλή ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα, κινητικότητα φορέων φορτίου και διαφάνεια, ενώ είναι αδιαπέραστο από αέρια. Λόγω αυτών των χαρακτηριστικών του υλικού, το γραφένιο χρησιμοποιείται ως ενισχυτικό πρόσθετο για να προσδώσει στα σύνθετα υλικά την αντοχή του, την αγωγιμότητά του κ.λπ. Για να συνδυαστούν τα χαρακτηριστικά του γραφενίου με άλλα υλικά, το γραφένιο πρέπει να διασπαρεί στο μείγμα ή εφαρμόζεται ως επίστρωση λεπτού υμενίου πάνω σε ένα υπόστρωμα.
Υπέρηχοι υψηλών επιδόσεων! Η γκάμα προϊόντων της Hielscher καλύπτει όλο το φάσμα, από τη συμπαγή εργαστηριακή συσκευή υπερήχων και τις επιτραπέζιες μονάδες έως τα πλήρως βιομηχανικά συστήματα υπερήχων.