Veepõhine grafeeni koorimine
Ultraheli koorimine võimaldab toota vähesekihilist grafeeni ilma karmide lahustite kasutamiseta, kasutades ainult puhast vett. Suure võimsusega ultrahelitöötlus delamineerib grafeeni lehed lühikese ravi jooksul. Lahustite vältimine muudab grafeeni koorimise rohelises ja jätkusuutlikus protsessis.
Grafeeni tootmine vedelfaasilise koorimise kaudu
Grafeeni toodetakse kaubanduslikult nn vedela faasi koorimise teel. Grafeeni vedelfaasiline koorimine nõuab mürgiste, keskkonnakahjulike ja kallite lahustite kasutamist, mida kasutatakse keemilise eeltöötlusena või koos mehaanilise dispersioonimeetodiga. Grafeeni lehtede mehaaniliseks hajutamiseks on ultraheliuurustus loodud väga usaldusväärse, tõhusa ja ohutu tehnikana kvaliteetsete grafeenilehtede tootmiseks suurtes kogustes täistööstuslikul tasandil. Kuna karmide lahustite kasutamisega kaasnevad alati kulud, saastumine, kompleksne eemaldamine ja kõrvaldamine, ohutusprobleemid ja keskkonnakoormus, on mittetoksiline ja ohutum alternatiiv märkimisväärselt kasulik. Grafeeni koorimine, kasutades vett lahustina ja võimsuse ultraheli mõne kihi grafeeni lehtede mehaaniliseks delamineerimiseks, on seega rohelise grafeeni tootmise jaoks väga paljutõotav meetod.
Tavalised lahustid, mida kasutatakse sageli vedela faasina grafeeni nanolehtede hajutamiseks, on dimetüülsulfoksiid (DMSO), N,N-dimetüülformamiid (DMF), N-metüül-2-pürrolidoon (NMP), tetrametüülurea (TMU), tetrahüdrofuran (THF), propüleenkarbonaatatsetoon (PC), etanool ja formamiid.
Juba pikaajalise väljakujunenud tehnikana grafeeni koorimiseks kaubanduslikul tasandil võimaldab ultraheliuuring toota kõrge puhtusastmega kvaliteetset grafeeni madalate kuludega. Kuna ultraheli grafeeni koorimist saab täielikult lineaarselt skaleerida mis tahes mahuni, saab kvaliteetsete grafeenihelveste tootmissaagist kergesti rakendada grafeeni masstootmiseks.
a UIP2000hdT on 2kW võimas ultraheli dispergeerija grafeeni koorimiseks ja hajutamiseks.
Grafeeni ultraheli koorimine vees
Tyurnina et al. (2020) uuris amplituudi ja ultrahelitöötluse intensiivsuse mõju puhastele veegrafiidi lahustele ja sellest tulenevat grafeeni koorimist. Uuringus kasutasid nad Hielscherit. UP200S (200W, 24kHz). Ultraheli koorimine veega rakendati üheastmelise protsessina väheste kihtgrafeeni delaminatsioonide jaoks. Lühike 2h ravi oli piisav, et toota paarikihilist grafeeni avatud keeduklaasi ultrahelitöötluse seadistuses.
Kiire jada (a-st f-ni) raamidest, mis illustreerivad grafiidi helbe sonomehaanilist koorimist vees, kasutades UP200-sid, 24 kHz ultrasonikaatorit 3-mm sonotrode'iga. Nooled näitavad lõhenemise (koorimise) kohta, kus kavitatsioonimullid tungivad lõhesse.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Ultraheli grafeeni koorimise optimeerimine
Tyurnina et al. (2020) kasutatavat ultraheli seadistust saab hõlpsasti optimeerida suurema tõhususe ja kiirema koorimise jaoks, kasutades suletud ultraheli reaktorit läbivoolurežiimis. Ultraheli inline ravi võimaldab oluliselt ühtlasemat ultraheli töötlemist kogu grafiidi toorainele: grafiidi / vee lahuse toitmine otse ultraheli kavitatsiooni piiratud ruumi, kogu grafiit muutub ühtlaselt ultraheliks, mille tulemuseks on kvaliteetsete grafeenihelveste kõrge saagikus.
Hielscher Ultrasonics süsteemid võimaldavad täpset kontrolli kõigi oluliste töötlemisparameetrite üle, nagu amplituud, aeg / peetus, energiasisend (Ws / ml), rõhk ja temperatuur. Optimaalsete ultraheli parameetrite seadmine toob kaasa suurima saagikuse, kvaliteedi ja üldise efektiivsuse.
Kuidas ultraheliuurendab grafeeni koorimist
Kui suure võimsusega ultraheli lained on ühendatud grafiidipulbri ja vee läga või mis tahes lahustiga, loovad sonomehaanilised jõud, nagu kõrge nihke, intensiivsed turbulentsid ja kõrge rõhu ja temperatuuri diferentsiaalid, energia-intensiivseid tingimusi. Need energia-intensiivsed tingimused on akustilise kavitatsiooni nähtuse tulemus. Loe ultraheli kavitatsiooni kohta lähemalt siit!
Võimsuse ultraheli käivitab grafiidipulbri laienemise, kuna vedelikud surutakse grafeenikihtide vahele, millest koosneb grafiit. Ultraheli nihkejõud delamineerivad grafeeni üksikud lehed ja hajutavad need lahuses grafeenihelvestena. Grafeeni pikaajalise stabiilsuse saavutamiseks vees on vaja pindaktiivset ainet.
Grafeeni koorimise ultraheli vedela faasi koorimise mehhaansus.
Uuring ja pilt Tyurnina et al., 2021.
Suure jõudlusega ultrasonikaatorid grafeeni koorimiseks
Hielscheri ultrasonikaatorite nutikad omadused on mõeldud usaldusväärse töö, reprodutseeritavate tulemuste ja kasutajasõbralikkuse tagamiseks. Tööseadetele pääseb hõlpsasti ligi ja neid saab valida intuitiivse menüü kaudu, millele pääseb ligi digitaalse värvilise puuteekraani ja brauseri kaugjuhtimispuldi kaudu. Seetõttu registreeritakse kõik töötlemistingimused, nagu netoenergia, koguenergia, amplituud, aeg, rõhk ja temperatuur, automaatselt sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil vaadata ja võrrelda varasemaid ultrahelitöötluse jookse ja optimeerida grafeeni koorimisprotsessi kõrgeima efektiivsusega.
Hielscher Ultrasonics süsteeme kasutatakse kogu maailmas kvaliteetsete grafeenilehtede ja grafeenoksiidide tootmiseks. Hielscheri tööstuslikud ultrasonikaatorid võivad pidevas töös kergesti töötada kõrge amplituudiga (24/7/365). Amplituudid kuni 200 μm saab kergesti pidevalt genereerida standardsete sonotroodidega (ultraheli sondid / sarved ja CascatrodesTM). Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Tänu oma vastupidavusele ja madalale hooldusele paigaldatakse meie ultraheli koorimissüsteemid tavaliselt raskeveokite rakendustele ja nõudlikes keskkondades.
Hielscheri ultraheli protsessorid grafeeni koorimiseks on juba kaubanduslikul tasandil paigaldatud kogu maailmas. Võtke meiega kohe ühendust, et arutada oma grafeeni tootmisprotsessi! Meie kogenud töötajad jagavad hea meelega rohkem teavet koorimisprotsessi, ultraheli süsteemide ja hinnakujunduse kohta!
Alljärgnev tabel annab teile ülevaate meie ultrahelihitiste ligikaudse töötlemisvõimsusest:
| partii Köide | flow Rate | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
| 10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 kuni 20 l | 0.2 kuni 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100 l | 2 kuni 10 l / min | UIP4000hdT |
| e.k. | 10 kuni 100 l / min | UIP16000 |
| e.k. | suurem | klastri UIP16000 |
Võta meiega ühendust! / Küsi meiega!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
Kirjandus/viited
- 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.
Faktid Tasub teada
Grafeen
Grafeen on SP-i monokiht2-lühendatud süsinikuaatomeid. Graphein pakub ainulaadseid materjale nagu erakordselt suur eripind (2620 m2g-1), suurepärased mehaanilised omadused Young'i moduliga 1 TPa ja sisemine tugevus 130 GPa, väga suur elektrooniline juhtivus (ruumitemperatuuri elektronide liikuvus 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), väga kõrge soojusjuhtivus (üle 3000 W m K-1), et nimetada kõige olulisemad omadused. Tänu oma suurepärastele materjaliomadustele kasutatakse grafeeni suure jõudlusega patareide, kütuseelementide, päikeseelementide, superkondensaatorite, vesinikuhoidlate, elektromagnetiliste kilpide ja elektrooniliste seadmete väljatöötamiseks ja tootmiseks. Lisaks on grafeen mitmetesse nanokomposittidesse ja komposiitmaterjalidesse lisatud tugevdavaks lisandiks, näiteks polümeerides, keraamikas ja metalli maatriksites. Tänu oma suurele juhtivusele on grapheen juhtivate värvide ja trükivärvide oluline komponent.
Kiire ja turvaline defekt-vabade grafeenide ultraheli ettevalmistamine väikeste kuludega suures mahus võimaldab grafeeni rakendusi laiendada üha rohkematele tööstusharudele.
Grafeen on ühe aatomi paksus süsinikkiht, mida võib kirjeldada kui ühekihilist või 2D grafeeni struktuuri (ühekihiline grafeen = SLG). Grapeenil on erakordselt suur eripind ja kõrgemad mehaanilised omadused (Young 1-TPa modulius ja sisemine tugevus 130 GPa), pakub suurepärast elektroonilist ja soojusjuhtivust, laaduri kandevõimet, läbipaistvust ja gaaside läbilaskmatust. Nende materjalide omaduste tõttu kasutatakse grafeenit tugevdavaks lisandiks, et anda komposiididele oma tugevus, juhtivus jne. Grapheeni omaduste kombineerimiseks teiste materjalidega tuleb grafne ühendisse hajutada või rakendada õhukese kihina aluspinnale.
Suure jõudlusega ultraheli! Hielscheri tootevalik hõlmab kogu spektrit kompaktsest labori ultraheliseadmest pink-top üksuste kohal kuni täistööstuslike ultrahelisüsteemideni.