Veepõhine grafeeni eksfoliatsioon
Ultraheli eksfoliatsioon võimaldab toota mõnekihilist grafeeni ilma karmide lahustiteta, kasutades ainult puhast vett. Suure võimsusega ultraheli töötlus lahutab grafeenilehed kihtideks lühikese töötluse jooksul. Lahustite vältimine muudab grafeeni eksfoliatsiooni rohelisel, jätkusuutlikuks protsessiks.
Grafeeni tootmine vedelfaasilise eksfoliatsiooni teel
Grafeeni toodetakse kaubanduslikult nn vedelfaasilise eksfoliatsiooni teel. Grafeeni vedelfaasiline eksfoliatsioon nõuab mürgiste, keskkonnale kahjulike ja kallite lahustite kasutamist, mida kasutatakse keemilise eeltöötlusena või koos mehaanilise dispergeerimismeetodiga. Grafeenilehtede mehaaniliseks dispergeerimiseks on ultraheli töötlus kujunenud väga usaldusväärseks, tõhusaks ja ohutuks meetodiks kvaliteetsete grafeenilehtede tootmiseks suurtes kogustes täielikult tööstuslikul tasemel. Kuna karmide lahustite kasutamisega kaasnevad alati kulud, saastumine, keeruline eemaldamine ja kõrvaldamine, ohutusprobleemid ning keskkonnakoormus, on mittetoksiline ja ohutum alternatiiv oluliselt eelistatum. Grafeeni eksfoliatsioon, mille puhul lahustina kasutatakse vett ja mõnekihiliste grafeenilehtede mehaaniliseks kihtideks lahutamiseks võimsat ultraheli, on seetõttu väga paljulubav meetod rohelise grafeenitootmise jaoks.
Tavalised lahustid, mida sageli kasutatakse vedela faasina grafeeni nanolehtede dispergeerimiseks, on dimetüülsulfoksiid (DMSO), N,N-dimetüülformamiid (DMF), N-metüül-2-pürrolidoon (NMP), tetrametüüluurea (TMU), tetrahüdrofuraan (THF), propüleenkarbonaatatsetoon (PC), etanool ja formamiid.
Kuna ultraheli töötlus on grafeeni eksfoliatsiooni jaoks kaubanduslikus mastaabis juba pikka aega väljakujunenud meetod, võimaldab see toota kõrge puhtusastmega kvaliteetset grafeeni madalate kuludega. Kuna ultraheli grafeeni eksfoliatsiooni saab täielikult lineaarselt skaleerida mis tahes mahuni, saab kvaliteetsete grafeenihelveste toodangut hõlpsasti rakendada grafeeni masstootmiseks.
UIP2000hdT on 2 kW võimsusega ultraheli dispergaator grafeeni eksfoliatsiooniks ja dispergeerimiseks.
Grafeeni ultraheli eksfoliatsioon vees
Tyurnina et al. (2020) uurisid amplituudi ja ultraheli töötluse intensiivsuse mõju puhta vee ja grafiidi lahustele ning sellest tulenevale grafeeni eksfoliatsioonile. Uuringus kasutasid nad seadet Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultraheli eksfoliatsiooni vees rakendati ühe-etapilise protsessina mõnekihilise grafeeni kihtideks lahutamiseks. Lühike 2h töötlus oli piisav mõnekihilise grafeeni tootmiseks avatud keeduklaasis tehtud ultraheli töötluse katses.
Kiire kaadrite jada (a kuni f), mis illustreerib grafiidilaiba sonomehaanilist eksfoliatsiooni vees kasutades seadet UP200s, 24 kHz ultraheli sonikaatorit 3 mm sonotroodiga. Nooled näitavad lõhenemise (eksfoliatsiooni) kohta, kus kavitatsioonimullid tungivad lõhesse.
© Tyurnina et al., 2020
Ultraheli grafeeni eksfoliatsiooni optimeerimine
Tyurnina et al. (2020) kasutatud ultraheli seadistust saab hõlpsasti optimeerida suurema tõhususe ja kiirema eksfoliatsiooni saavutamiseks, kasutades suletud ultraheli reaktorit läbivoolurežiimis. Ultraheli inline-töötlus võimaldab kogu grafiidi lähtematerjali oluliselt ühtlasemat ultraheli töötlust: kui grafiidi ja vee lahus suunatakse otse ultraheli kavitatsiooni piiratud ruumi, saab kogu grafiit ühtlaselt ultraheliga töödeldud, mis annab suure saagise kvaliteetseid grafeenihelbeid.
Hielscher Ultrasonics süsteemid võimaldavad täpselt kontrollida kõiki olulisi protsessiparameetreid, nagu amplituud, aeg / viibeaeg, energiasisend (Ws/mL), rõhk ja temperatuur. Optimaalsete ultraheliparameetrite seadistamine annab suurima saagise, kvaliteedi ja üldise tõhususe.
Kuidas ultraheli töötlus grafeeni eksfoliatsiooni soodustab
Kui suure võimsusega ultraheli lained juhitakse grafiitpulbri ja vee või mis tahes lahusti suspensiooni, tekitavad sonomehaanilised jõud, nagu suur nihe, intensiivsed turbulentsid ning suured rõhu- ja temperatuurierinevused, energiaintensiivsed tingimused. Need energiaintensiivsed tingimused on akustilise kavitatsiooni nähtuse tulemus.
Loe ultraheli kavitatsiooni kohta lähemalt siit!
Võimas ultraheli põhjustab grafiitpulbri paisumise, kuna vedelikud surutakse grafeenikihtide vahele, millest grafiit koosneb. Ultraheli nihkejõud lahutavad üksikud grafeenilehed kihtideks ja dispergeerivad need grafeenihelvestena lahuses. Grafeeni pikaajalise püsivuse saavutamiseks vees on vajalik pindaktiivne aine.
Grafeeni ultraheli vedelfaasilise eksfoliatsiooni mehhanism (Mechnism).
Uuring ja pilt: Tyurnina et al., 2021.
Suure jõudlusega ultraheli sonikaatorid grafeeni eksfoliatsiooniks
Hielscheri ultraheli sonikaatorite nutikad funktsioonid on loodud tagama usaldusväärse töö, reprodutseeritavad tulemused ja kasutajasõbralikkuse. Tööseadistusi saab hõlpsasti avada ja määrata intuitiivse menüü kaudu, millele pääseb ligi digitaalse värvilise puuteekraani ja brauseri kaugjuhtimise kaudu. Seetõttu salvestatakse kõik töötlustingimused, nagu netoenergia, koguenergia, amplituud, aeg, rõhk ja temperatuur, automaatselt sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil varasemaid ultraheli töötluse käike üle vaadata ja võrrelda ning optimeerida grafeeni eksfoliatsiooni protsessi suurima tõhususeni.
Hielscher Ultrasonics süsteeme kasutatakse kogu maailmas kvaliteetsete grafeenilehtede ja grafeenoksiidide tootmiseks. Hielscheri tööstuslikud ultraheli sonikaatorid suudavad hõlpsasti töötada kõrgetel amplituudidel pidevas töörežiimis (24/7/365). Kuni 200µm amplituude saab hõlpsasti pidevalt tekitada standardsete sonotroodidega (ultraheli sondid / sarved ja CascatrodesTM). Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Tänu oma vastupidavusele ja väikesele hooldusvajadusele paigaldatakse meie ultraheli eksfoliatsiooni süsteeme sageli raskeks tööks ja nõudlikesse keskkondadesse.
Hielscheri ultraheli protsessorid grafeeni eksfoliatsiooniks on juba kogu maailmas kaubanduslikus mastaabis paigaldatud. Võtke meiega kohe ühendust, et arutada oma grafeenitootmise protsessi! Meie suure kogemusega töötajad jagavad hea meelega lisateavet eksfoliatsiooni protsessi, ultraheli süsteemide ja hindade kohta!
Ultraheli grafeenisünteesi, dispergeerimise ja funktsionaliseerimise kohta lisateabe saamiseks klõpsake palun siin:
- Grafeeni tootmine
- Grafeeni nanoplaadid
- Veepõhine grafeeni eksfoliatsioon
- Vees dispergeeruv grafeen
- Grafeenoksiid
- Xene’id
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster seadmetest UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboratoorses, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.
Kirjandus / viited
- 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.
Teada väärt fakte
Mis on grafeen?
Grafeen on sp2-sidemetega süsinikuaatomite monokiht. Grafeenil on ainulaadsed materjaliomadused, näiteks erakordselt suur eripindala (2620 m2 g-1), suurepärased mehaanilised omadused Youngi mooduliga 1 TPa ja sisemise tugevusega 130 GPa, erakordselt kõrge elektrijuhtivus (toatemperatuuri elektronide liikuvus 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), väga kõrge soojusjuhtivus (üle 3000 W m K-1), et nimetada olulisemaid omadusi. Tänu oma suurepärastele materjaliomadustele kasutatakse grafeeni laialdaselt suure jõudlusega akude, kütuseelementide, päikeseelementide, superkondensaatorite, vesinikuhoidlate, elektromagnetkilpide ja elektroonikaseadmete arendamisel ja tootmisel. Lisaks lisatakse grafeeni paljudesse nanokomposiitidesse ja komposiitmaterjalidesse tugevdava lisandina, nt polümeeridesse, keraamikasse ja metallmaatriksitesse. Oma kõrge juhtivuse tõttu on grafeen oluline koostisosa juhtivates värvides ja tindides.
Defektideta grafeeni kiire ja ohutu ultraheli valmistamine suurtes kogustes madalate kuludega võimaldab laiendada grafeeni rakendusi üha enamatesse tööstusharudesse.
Grafeen on ühe aatomi paksune süsinikukiht, mida võib kirjeldada grafeeni ühekihilise ehk 2D-struktuurina (ühekihiline grafeen = SLG). Grafeenil on erakordselt suur eripindala ja suurepärased mehaanilised omadused (Youngi moodul 1 TPa ja sisemine tugevus 130 GPa), see pakub suurepärast elektri- ja soojusjuhtivust, laengukandjate liikuvust ning läbipaistvust ning on gaasidele mitteläbilaskev. Nende materjaliomaduste tõttu kasutatakse grafeeni tugevdava lisandina, et anda komposiitidele tugevus, juhtivus jne. Grafeeni omaduste ühendamiseks teiste materjalidega tuleb grafeen dispergeerida ühendisse või kanda õhukese kilekattena alusmaterjalile.
Suure jõudlusega ultraheli! Hielscheri tootevalik hõlmab kogu spektrit kompaktsetest laboratoorsetest ultraheli sonikaatoritest lauaseadmeteni ja täielikult tööstuslike ultraheli süsteemideni.