Veepõhine grafeeni koorimine
Ultraheli koorimine võimaldab toota mõnekihilist grafeeni ilma karmide lahustite kasutamiseta, kasutades ainult puhast vett. Suure võimsusega ultrahelitöötlus delamineerib grafeeni lehed lühikese ravi jooksul. Lahustite vältimine muudab grafeeni koorimise roheliseks ja jätkusuutlikuks protsessiks.
Grafeeni tootmine vedela faasi 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 dispersioonitehnikaga või koos sellega. Grafeenilehtede mehaaniliseks hajutamiseks on ultraheliuuring loodud väga usaldusväärseks, tõhusaks ja ohutuks tehnikaks kvaliteetsete grafeenilehtede tootmiseks suurtes kogustes täielikult tööstuslikul tasandil. Kuna karmide lahustite kasutamisega kaasnevad alati kulud, saastumine, keeruline eemaldamine ja kõrvaldamine, ohutusprobleemid ja keskkonnakoormus, on mittetoksiline ja ohutum alternatiiv märkimisväärselt kasulik. Grafeeni koorimine, kasutades vett lahustina ja võimsuse ultraheli mõne kihi grafeenilehtede mehaaniliseks delamineerimiseks, on seetõttu rohelise grafeeni tootmiseks väga paljutõotav tehnika.
Tavaliste lahustite hulka, mida sageli kasutatakse vedela faasina grafeeni nanolehtede hajutamiseks, kuuluvad dimetüülsulfoksiid (DMSO), N,N-dimetüülformamiid (DMF), N-metüül-2-pürrolidoon (NMP), tetrametüülurea (TMU), tetrahüdrofuraan (THF), propüleenkarbonaatatsetoon (PC), etanool ja formamiid.
Nagu juba pikaajaline väljakujunenud tehnika grafeeni koorimiseks kaubanduslikul tasandil, võimaldab ultraheliuuring toota madala hinnaga kvaliteetset kõrge puhtusastmega grafeeni. Kuna ultraheli grafeeni koorimist saab täielikult lineaarselt skaleerida mis tahes mahuni, saab kvaliteetsete grafeenihelveste tootmissaagist kergesti rakendada grafeeni masstootmiseks.
UIP2000hdT on 2kW võimas ultraheli dispergeerija grafeeni koorimiseks ja dispersiooniks.
Grafeeni ultraheli koorimine vees
(2020) uuris amplituudi ja ultrahelitöötluse intensiivsuse mõju puhtale vee-grafiidi lahustele ja sellest tulenevale grafeeni koorimisele. Uuringus kasutasid nad Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultraheli koorimine veega, mida kasutati üheastmelise protsessina mõne kihi grafeeni delamineerimiseks. Lühike ravi 2h oli piisav, et toota mõnekihilist grafeeni avatud keeduklaasi ultrahelitöötluse seadistuses.
Kiire kaadrite jada (a-st f-ni), mis illustreerib grafiidihelveste sonomehaanilist koorimist vees kasutades UP200s, 24 kHz ultrasonikaatorit 3 mm sonotrode'iga. Nooled näitavad lõhenemise (koorimise) kohta kavitatsioonimullidega, mis tungivad lõhenemisse.
© Tyurnina jt, 2020
Ultraheli grafeeni koorimise optimeerimine
(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 toorainest: grafiidi / vee lahuse söötmine otse ultraheli kavitatsiooni piiratud ruumi, kõik grafiit muutub ühtlaselt ultraheliga töödeldud, mille tulemuseks on kvaliteetsete grafeenihelveste kõrge saagis.
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 kõrgeima saagikuse, kvaliteedi ja üldise efektiivsuse.
Kuidas ultraheliuuring soodustab grafeeni koorimist
Kui suure võimsusega ultraheli lained on ühendatud grafiidipulbri ja vee läga või mis tahes lahustiga, tekitavad sonomehaanilised jõud, nagu kõrge nihe, intensiivsed turbulentsid ning kõrge rõhu ja temperatuuri erinevused, energia-intensiivsed tingimused. Need energiamahukad tingimused on akustilise kavitatsiooni nähtuse tulemus.
Lisateavet ultraheli kavitatsiooni kohta leiate siit!
Võimsuse ultraheli käivitab grafiidipulbri laienemise, kuna vedelikud pressitakse 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 mechnism.
Uuring ja pilt Tyurnina et al., 2021.
Suure jõudlusega ultrasonikaatorid grafeeni koorimiseks
Hielscheri ultrasonikaatorite nutikad omadused on loodud usaldusväärse töö, reprodutseeritavate tulemuste ja kasutajasõbralikkuse tagamiseks. Tööseadetele pääseb hõlpsasti juurde ja neid saab valida intuitiivse menüü kaudu, millele pääseb juurde digitaalse värvilise puuteekraani ja brauseri kaugjuhtimispuldi kaudu. Seetõttu salvestatakse kõik töötlemistingimused, nagu netoenergia, koguenergia, amplituud, aeg, rõhk ja temperatuur, automaatselt sisseehitatud SD-kaardile. See võimaldab teil vaadata ja võrrelda varasemaid ultrahelitöötluse käike ning optimeerida grafeeni koorimisprotsessi kõrgeima efektiivsusega.
Hielscher Ultrasonics süsteeme kasutatakse kogu maailmas kvaliteetsete grafeenilehtede ja grafeenoksiidide tootmiseks. Hielscheri tööstuslikud ultrasonikaatorid võivad pidevas töös kergesti käivitada kõrge amplituudiga (24/7/365). Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti 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!
Ultraheli grafeeni sünteesi, dispersiooni ja funktsionaliseerimise kohta lisateabe saamiseks klõpsake siin:
- Grafeeni tootmine
- Grafeeni nanoplaadid
- Veepõhine grafeeni koorimine
- Vees dispergeeruv grafeen
- grafeenoksiid
- Xenes
| Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
| 10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 kuni 20L | 0.2 kuni 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
| mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid rakenduste segamiseks, hajutamiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks laboris, piloot- 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.
Faktid, mida tasub teada
Mis on grafeen?
Grafeen on sp monokiht2-seotud süsinikuaatomid. Grafeen pakub ainulaadseid materjaliomadusi, nagu erakordselt suur eripind (2620 m)2g-1), suurepärased mehaanilised omadused Youngi mooduliga 1 TPa ja sisemise tugevusega 130 GPa, äärmiselt kõrge elektroonilise juhtivusega (toatemperatuuriga 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 tugevalt suure jõudlusega patareide, kütuseelementide, päikesepatareide, superkondensaatori, vesinikuhoidlate, elektromagnetiliste kilpide ja elektroonikaseadmete arendamisel ja tootmisel. Lisaks on grafeen lisatud paljudesse nanokomposiitidesse ja komposiitmaterjalidesse tugevdava lisandina, nt polümeerides, keraamikas ja metallmaatriksites. Tänu oma suurele juhtivusele on grafeen juhtivate värvide ja tintide oluline komponent.
Defektivaba grafeeni kiire ja ohutu ultraheli ettevalmistamine suurtes kogustes madalate kuludega võimaldab laiendada grafeeni rakendusi üha rohkematele tööstusharudele.
Grafeen on ühe aatomi paksune süsinikukiht, mida võib kirjeldada kui grafeeni ühekihilist või 2D-struktuuri (ühekihiline grafeen = SLG). Grafeenil on erakordselt suur eripind ja suurepärased mehaanilised omadused (Youngi moodul 1 TPa ja sisemine tugevus 130 GPa), pakub suurepärast elektroonilist ja soojusjuhtivust, laengukandja liikuvust, läbipaistvust ja on gaasidele mitteläbilaskev. Nende materjaliomaduste tõttu kasutatakse grafeeni tugevdava lisandina, et anda komposiitidele selle tugevus, juhtivus jne. Grafeeni omaduste kombineerimiseks teiste materjalidega tuleb grafeen dispergeerida ühendisse või kanda õhukese kilekattena substraadile.
Suure jõudlusega ultraheli! Hielscheri tootevalik hõlmab kogu spektrit alates kompaktsest labori ultrasonikaatorist üle lauaarvutite kuni täistööstuslike ultrahelisüsteemideni.