Exfoliación de grafeno con agua

La exfoliación ultrasónica permite producir grafeno de pocas capas sin el uso de disolventes agresivos, utilizando únicamente agua pura. La sonicación de alta potencia deslamina las láminas de grafeno en un breve tratamiento. El hecho de evitar los disolventes convierte la exfoliación del grafeno en un proceso ecológico y sostenible.

Producción de grafeno por exfoliación en fase líquida

Ultrasonic disperser UIP4000hdT for commercial graphene exfoliation in continuous flowEl grafeno se fabrica comercialmente mediante la llamada exfoliación en fase líquida. La exfoliación en fase líquida del grafeno requiere el uso de disolventes tóxicos, perjudiciales para el medio ambiente y caros, que se utilizan como pretratamiento químico o en combinación con una técnica de dispersión mecánica. Para la dispersión mecánica de las láminas de grafeno, la ultrasonicación se ha establecido como una técnica altamente fiable, eficiente y segura para producir láminas de grafeno de alta calidad en grandes cantidades a nivel totalmente industrial. Dado que el uso de disolventes agresivos siempre va acompañado de costes, contaminación, eliminación compleja y problemas de seguridad, así como de una carga medioambiental, resulta muy ventajosa una alternativa no tóxica y más segura. La exfoliación del grafeno mediante el uso de agua como disolvente y de ultrasonidos para la deslaminación mecánica de las láminas de grafeno de pocas capas es, por tanto, una técnica muy prometedora para la fabricación de grafeno ecológico.
Entre los disolventes más comunes, que suelen utilizarse como fase líquida para dispersar las nanohojas de grafeno, se encuentran el dimetilsulfóxido (DMSO), la N,N-dimetilformamida (DMF), la N-metil-2-pirrolidona (NMP), la tetrametilurea (TMU), el tetrahidrofurano (THF), la acetona de carbonato de propileno (PC), el etanol y la formamida.
La exfoliación por ultrasonidos es una técnica establecida desde hace tiempo para la exfoliación de grafeno a escala comercial, y permite producir grafeno de alta calidad y gran pureza a bajo coste. Como la exfoliación de grafeno por ultrasonidos puede escalarse de forma completamente lineal a cualquier volumen, el rendimiento de la producción de copos de grafeno de alta calidad puede implementarse fácilmente para la producción masiva de grafeno.

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Ultrasonic disperser UIP2000hdT, a 2000 watts powerful sonic system, for graphene exfoliation and dispersion.

El UIP2000hdT es un potente dispersor ultrasónico de 2kW para la exfoliación y dispersión del grafeno.

Exfoliación ultrasónica del grafeno en el agua

Tyurnina et al. (2020) investigaron los efectos de la amplitud y la intensidad de la sonicación en las soluciones de agua pura y grafito y la exfoliación de grafeno resultante. En el estudio, utilizaron un equipo Hielscher UP200S (200W, 24 kHz). La exfoliación ultrasónica con agua se aplicó como un proceso de un solo paso para la deslaminación de grafeno de pocas capas. Un tratamiento corto de 2 horas fue suficiente para producir grafeno de pocas capas en una configuración de sonicación de vaso abierto.

Ultrasonic graphene exfoliation in water

Secuencia de alta velocidad (de la a a la f) de fotogramas que ilustran la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua utilizando el UP200s, un ultrasonido de 24 kHz con sonotrodo de 3 mm. Las flechas muestran el lugar de la división (exfoliación) con burbujas de cavitación que penetran en la división.
Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Optimización de la exfoliación ultrasónica del grafeno

UP200St procesador ultrasónico con junta sonotrodo y el suelo de vidrio.La configuración de ultrasonidos utilizada por Tyurnina et al. (2020) puede optimizarse fácilmente para lograr una mayor eficiencia y una exfoliación más rápida utilizando un reactor de ultrasonidos cerrado en modo de flujo. El tratamiento ultrasónico en línea permite un tratamiento ultrasónico significativamente más uniforme de toda la materia prima de grafito: al alimentar la solución de grafito / agua directamente en el espacio confinado de la cavitación ultrasónica, todo el grafito se soniza uniformemente, lo que resulta en un alto rendimiento de copos de grafeno de alta calidad.
Los sistemas de ultrasonidos de Hielscher permiten un control preciso de todos los parámetros de procesamiento importantes, como la amplitud, el tiempo/retención, la entrada de energía (Ws/mL), la presión y la temperatura. El ajuste de los parámetros óptimos de los ultrasonidos da como resultado un mayor rendimiento, calidad y eficiencia general.

Cómo promueve la ultrasonicación la exfoliación del grafeno

Cuando las ondas de ultrasonido de alta potencia se acoplan a una lechada de polvo de grafito y agua o cualquier disolvente, las fuerzas sonomecánicas, como el alto cizallamiento, las turbulencias intensas y los altos diferenciales de presión y temperatura, crean condiciones de energía intensa. Estas condiciones de alta energía son el resultado del fenómeno de la cavitación acústica. Lea más sobre la cavitación ultrasónica aquí.
La potencia de los ultrasonidos inicia la expansión del polvo de grafeno, ya que los fluidos son presionados entre las capas de grafeno, de las que se compone el grafito. Las fuerzas de cizallamiento ultrasónicas desprenden las láminas individuales de grafeno y las dispersan como copos de grafeno en la solución. Para obtener una estabilidad a largo plazo del grafeno en el agua, se necesita un tensioactivo.

ultrasonicador UP200St (200W) dispersión de láminas de grafeno

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Ultrasonidos de alto rendimiento para la exfoliación de grafeno

Las funciones inteligentes de los ultrasonidos de Hielscher están diseñadas para garantizar un funcionamiento fiable, resultados reproducibles y facilidad de uso. Los ajustes de funcionamiento son fácilmente accesibles y se marcan a través de un menú intuitivo, al que se puede acceder mediante una pantalla táctil digital en color y un mando a distancia con navegador. Así, todas las condiciones de procesamiento, como la energía neta, la energía total, la amplitud, el tiempo, la presión y la temperatura, se registran automáticamente en una tarjeta SD integrada. Esto le permite revisar y comparar las ejecuciones de sonicación anteriores y optimizar el proceso de exfoliación de grafeno para lograr la máxima eficiencia.
Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.Los sistemas de ultrasonidos de Hielscher se utilizan en todo el mundo para la fabricación de láminas de grafeno y óxidos de grafeno de alta calidad. Los ultrasonidos industriales de Hielscher pueden trabajar fácilmente con amplitudes elevadas en funcionamiento continuo (24/7/365). Amplitudes de hasta 200µm pueden ser fácilmente generadas de forma continua con sonotrodos estándar (sondas ultrasónicas / cuernos y cascadasTM). Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados. Debido a su robustez y a su bajo mantenimiento, nuestros sistemas de exfoliación por ultrasonidos se instalan habitualmente para aplicaciones pesadas y en entornos exigentes.

Los procesadores ultrasónicos de Hielscher para la exfoliación de grafeno ya están instalados en todo el mundo a escala comercial. Póngase en contacto con nosotros para hablar de su proceso de fabricación de grafeno. Nuestro experimentado personal estará encantado de compartir más información sobre el proceso de exfoliación, los sistemas de ultrasonidos y los precios.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.

Literatura / Referencias

  • Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin (2020): Exfoliación ultrasónica de grafeno en agua: Un estudio de parámetros clave. Carbono Vol. 168, 2020. 737-747.
    (Disponible bajo la atribución de Creative Commons 4.0: CC BY-NC-ND 4.0. Vea las condiciones completas aquí.)
  • Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasonido exfoliación de análogos inorgánicos de grafeno. Nanoescala Research Letters 9 (1), 2014.
  • U.I. Unalan, Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polisacárido-asistido rápida exfoliación de las plaquetas de grafito en láminas de grafeno dispersables en agua de alta calidad. RSC avanza 5, 2015. 26482 hasta 26490.
  • Bang, J. H .; Suslick, K. S. (2010): Aplicaciones de ultrasonido para la síntesis de materiales nanoestructurados. Materiales Avanzados 22/2010. pp. 1039-1059.
  • Stengl, V .; Popelková, D .; Vlácil, P. (2011): TiO2-El grafeno nanocompuestos Los fotocatalizadores como de alto rendimiento. En: Revista de Química Física C 115/2011. pp. 25209 hasta 25218.



Información interesante

grafeno

hoja de grafeno El grafeno es una monocapa de SP2átomos de carbono -bonded. El grafeno ofrece características de los materiales únicos, como una gran superficie específica extraordinaria (2,620 m2gramo-1), Propiedades mecánicas superiores con un módulo de Young de 1 TPA ​​y una resistencia intrínseca de 130 GPa, una muy alta conductividad electrónica (movilidad de electrones a temperatura ambiente de 2,5 x 105 cm2 V-1s-1), Conductividad térmica muy alta (por encima de 3000 W m K-1), Por nombrar las propiedades más importantes. Debido a sus propiedades de los materiales superiores, el grafeno es muy usada en el desarrollo y producción de baterías de alto rendimiento, células de combustible, células solares, supercondensador, almacenes de hidrógeno, escudos electromagnéticos y dispositivos electrónicos. Además, el grafeno se incorpora en muchos nanocompuestos y materiales compuestos como refuerzo aditivo, por ejemplo en polímeros, cerámica y matrices de metal. Debido a su alta conductividad, el grafeno es un componente importante de pinturas conductoras y tintas.
El rápido y seguro preparación ultrasónica de grafeno libre de defectos en grandes volúmenes a bajo costo permite la ampliación de las aplicaciones del grafeno a más y más industrias.
El grafeno es una capa de carbono de un átomo de espesor, que se puede describir como una estructura monocapa o 2D del grafeno (grafeno de capa única = SLG). El grafeno tiene una superficie específica extraordinariamente grande y propiedades mecánicas superiores (módulo de Young de 1 TPa y resistencia intrínseca de 130 GPa), ofrece una gran conductividad térmica y electrónica, movilidad del portador de carga, transparencia y es impermeable a los gases. Debido a estas características del material, el grafeno se usa como aditivo de refuerzo para dar a los compuestos su fuerza, conductividad, etc. Para combinar las características del grafeno con otros materiales, el grafeno debe dispersarse en el compuesto o aplicarse como un recubrimiento de película delgada sobre un sustrato.


Hielscher Ultrasonics supplies high-performance ultrasonic homogenizers from lab to industrial size.

¡Ultrasonidos de alto rendimiento! La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonido compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonido completamente industriales.