لایه‌برداری گرافن بر پایهٔ آب
لایه‌برداری فراصوتی امکان تولید گرافن چندلایهٔ نازک را تنها با استفاده از آب خالص و بدون استفاده از حلال‌های تهاجمی فراهم می‌کند. فراصوت‌دهی پرتوان، ورقه‌های گرافن را طی یک تیمار کوتاه از هم جدا می‌کند. حذف حلال‌ها، لایه‌برداری گرافن را به فرایندی سبز و پایدار تبدیل می‌کند.
تولید گرافن از طریق لایه‌برداری در فاز مایع
گرافن در مقیاس تجاری از طریق روشی موسوم به لایه‌برداری در فاز مایع تولید می‌شود. لایه‌برداری گرافن در فاز مایع مستلزم استفاده از حلال‌های سمی، زیان‌آور برای محیط‌زیست و گران‌قیمت است که به‌عنوان پیش‌تیمار شیمیایی یا در ترکیب با یک روش پراکنده‌سازی مکانیکی به کار می‌روند. برای پراکنده‌سازی مکانیکی ورقه‌های گرافن، فراصوت‌دهی به‌عنوان روشی بسیار قابل‌اعتماد، کارآمد و ایمن برای تولید ورقه‌های گرافن باکیفیت در مقادیر زیاد و در مقیاس کاملاً صنعتی تثبیت شده است. ازآنجاکه استفاده از حلال‌های تهاجمی همواره با هزینه، آلودگی، جداسازی و دفع پیچیده، نگرانی‌های ایمنی و نیز بار زیست‌محیطی همراه است، یک جایگزین غیرسمی و ایمن‌تر مزیت چشمگیری دارد. بنابراین، لایه‌برداری گرافن با استفاده از آب به‌عنوان حلال و فراصوت پرتوان برای جداسازی مکانیکی ورقه‌های گرافن با تعداد لایه‌های کم، روشی بسیار امیدبخش برای تولید سبز گرافن است.
حلال‌های متداولی که اغلب به‌عنوان فاز مایع برای پراکنده‌سازی نانوورقه‌های گرافن استفاده می‌شوند، شامل دی‌متیل سولفوکسید (DMSO)، N,N-دی‌متیل‌فرمامید (DMF)، N-متیل-2-پیرولیدون (NMP)، تترامتیل‌اوره (TMU)، تتراهیدروفوران (THF)، پروپیلن کربنات‌استون (PC)، اتانول و فرمامید هستند.
فراصوت‌دهی، به‌عنوان روشی که مدت‌هاست برای لایه‌برداری گرافن در مقیاس تجاری تثبیت شده، امکان تولید گرافن باکیفیت و خلوص بالا را با هزینهٔ کم فراهم می‌کند. ازآنجاکه مقیاس لایه‌برداری فراصوتی گرافن را می‌توان به‌صورت کاملاً خطی به هر حجمی افزایش داد، دستیابی به بازده تولید پولک‌های گرافن باکیفیت را می‌توان به‌آسانی در تولید انبوه گرافن پیاده‌سازی کرد.
UIP2000hdT یک پراکنده‌ساز فراصوتی قدرتمند با توان 2kW برای لایه‌برداری و پراکنده‌سازی گرافن است.
لایه‌برداری فراصوتی گرافن در آب
Tyurnina et al. (2020) اثرات دامنه و شدت فراصوت‌دهی را بر محلول‌های آب خالص–گرافیت و لایه‌برداری حاصل از آن‌ها بررسی کردند. آن‌ها در این مطالعه از دستگاه Hielscher UP200S (200W, 24kHz) استفاده کردند. لایه‌برداری فراصوتی با استفاده از آب، به‌صورت فرایندی تک‌مرحله‌ای برای جداسازی گرافن با تعداد لایه‌های کم به کار رفت. یک تیمار کوتاه به‌مدت 2h برای تولید گرافن چندلایهٔ نازک در آرایش فراصوت‌دهی با بشر باز کافی بود.
توالی پرسرعتی از فریم‌ها (از a تا f)، لایه‌برداری صوتی–مکانیکی یک پولک گرافیت در آب با استفاده از UP200s (یک دستگاه فراصوتی با فرکانس 24 kHz و سونوتْرود 3-mm) را نشان می‌دهد. پیکان‌ها محل شکافتن (لایه‌برداری) را نشان می‌دهند که حباب‌های کاویتاسیون به درون شکاف آن نفوذ می‌کنند.
© Tyurnina et al., 2020
بهینه‌سازی لایه‌برداری فراصوتی گرافن
آرایش فراصوتی استفاده‌شده توسط Tyurnina et al. (2020) را می‌توان با استفاده از یک راکتور فراصوتی بسته در حالت جریان عبوری، به‌آسانی برای افزایش کارایی و تسریع لایه‌برداری بهینه کرد. تیمار فراصوتی درون‌خطی امکان تیمار فراصوتی بسیار یکنواخت‌ترِ تمام مادهٔ اولیهٔ گرافیتی را فراهم می‌کند: با تغذیهٔ مستقیم محلول گرافیت / آب به فضای محصور کاویتاسیون فراصوتی، تمام گرافیت به‌طور یکنواخت تحت فراصوت‌دهی قرار می‌گیرد و در نتیجه، پولک‌های گرافن باکیفیت با بازده بالا تولید می‌شوند.
سامانه‌های Hielscher Ultrasonics امکان کنترل دقیق تمام پارامترهای مهم فرایند، مانند دامنه، زمان / زمان ماند، انرژی ورودی (Ws/mL)، فشار و دما را فراهم می‌کنند. تنظیم پارامترهای بهینهٔ فراصوتی به بالاترین بازده، کیفیت و کارایی کلی منجر می‌شود.
فراصوت‌دهی چگونه لایه‌برداری گرافن را تسهیل می‌کند
هنگامی که امواج فراصوت پرتوان به دوغابی از پودر گرافیت و آب یا هر حلالی منتقل می‌شوند، نیروهای صوتی–مکانیکی، مانند برش زیاد، آشفتگی شدید و اختلاف‌های زیاد فشار و دما، شرایطی با انرژی بالا ایجاد می‌کنند. این شرایط پرانرژی حاصل پدیدهٔ کاویتاسیون آکوستیکی هستند.
اینجا دربارهٔ کاویتاسیون فراصوتی بیشتر بخوانید!
فراصوت پرتوان انبساط پودر گرافیت را آغاز می‌کند، زیرا سیالات با فشار به میان لایه‌های گرافن که گرافیت از آن‌ها تشکیل شده است، رانده می‌شوند. نیروهای برشی فراصوتی، ورقه‌های منفرد گرافن را از هم جدا می‌کنند و آن‌ها را به‌شکل پولک‌های گرافن در محلول پراکنده می‌سازند. برای دستیابی به پایداری بلندمدت گرافن در آب، استفاده از یک مادهٔ فعال سطحی ضروری است.
سازوکار لایه‌برداری فراصوتی گرافن در فاز مایع.
مطالعه و تصویر از Tyurnina et al., 2021.
دستگاه‌های فراصوتی با عملکرد بالا برای لایه‌برداری گرافن
قابلیت‌های هوشمند دستگاه‌های فراصوتی Hielscher برای تضمین عملکرد قابل‌اعتماد، نتایج تکرارپذیر و سهولت استفاده طراحی شده‌اند. تنظیمات عملیاتی را می‌توان به‌آسانی از طریق منویی با کاربری آسان مشاهده و تنظیم کرد؛ این منو از طریق نمایشگر لمسی رنگی دیجیتال و کنترل از راه دور با مرورگر در دسترس است. بنابراین، تمام شرایط فرایند، مانند انرژی خالص، انرژی کل، دامنه، زمان، فشار و دما، به‌صورت خودکار روی کارت SD تعبیه‌شده ثبت می‌شوند. این قابلیت به شما امکان می‌دهد اجراهای پیشین فراصوت‌دهی را بازبینی و مقایسه کنید و فرایند لایه‌برداری گرافن را برای دستیابی به بالاترین کارایی بهینه سازید.
سامانه‌های Hielscher Ultrasonics در سراسر جهان برای تولید ورقه‌های گرافن و اکسیدهای گرافن باکیفیت استفاده می‌شوند. دستگاه‌های فراصوتی صنعتی Hielscher می‌توانند به‌آسانی در دامنه‌های بالا به‌صورت پیوسته (24/7/365) کار کنند. دامنه‌هایی تا 200µm را می‌توان به‌آسانی و به‌طور پیوسته با سونوتْرودهای استاندارد (پروب‌ها / هورن‌های فراصوتی و CascatrodesTM) ایجاد کرد. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. سامانه‌های لایه‌برداری فراصوتی ما به‌دلیل استحکام و نیاز کم به نگهداری، معمولاً برای کاربردهای سنگین و در محیط‌های با شرایط دشوار نصب می‌شوند.
پردازشگرهای فراصوتی Hielscher برای لایه‌برداری گرافن، هم‌اکنون در سراسر جهان در مقیاس تجاری نصب شده‌اند. همین حالا با ما تماس بگیرید تا دربارهٔ فرایند تولید گرافن شما گفت‌وگو کنیم! کارکنان باتجربهٔ ما خوشحال خواهند شد اطلاعات بیشتری دربارهٔ فرایند لایه‌برداری، سامانه‌های فراصوتی و قیمت‌ها در اختیار شما قرار دهند!
برای کسب اطلاعات بیشتر دربارهٔ سنتز، پراکنده‌سازی و عامل‌دارسازی فراصوتی گرافن، اینجا کلیک کنید:
- تولید گرافن
- نانوپلاکتهای گرافن
- لایه‌برداری گرافن بر پایهٔ آب
- گرافن قابلپراکنش در آب
- اکسید گرافن
- زنها
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- 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.
نکات دانستنی
گرافن چیست؟
گرافن تک‌لایه‌ای از اتم‌های کربن با پیوند sp2 است. گرافن ویژگی‌های ماده‌ای منحصربه‌فردی دارد، از جمله مساحت سطح ویژهٔ فوق‌العاده بزرگ (2620 m2 g-1)، خواص مکانیکی برتر با مدول یانگ 1 TPa و استحکام ذاتی 130 GPa، رسانایی الکترونی بسیار بالا (تحرک الکترون در دمای اتاق برابر با 2٫5 × 105 cm2 V-1 s-1)، رسانایی گرمایی بسیار بالا (بیش از 3000 W m K-1)؛ این‌ها از مهم‌ترین ویژگی‌های آن هستند. گرافن به‌دلیل خواص ماده‌ای برتر خود، به‌طور گسترده در توسعه و تولید باتری‌های با عملکرد بالا، پیل‌های سوختی، سلول‌های خورشیدی، ابرخازن‌ها، سامانه‌های ذخیره‌سازی هیدروژن، حفاظ‌های الکترومغناطیسی و دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود. افزون بر این، گرافن به‌عنوان افزودنی تقویت‌کننده در بسیاری از نانوکامپوزیت‌ها و مواد کامپوزیتی، برای مثال در پلیمرها، سرامیک‌ها و زمینه‌های فلزی، به کار می‌رود. گرافن به‌دلیل رسانایی بالای خود، جزء مهمی از رنگ‌ها و جوهرهای رسانا است.
تهیهٔ سریع و ایمن گرافن بدون نقص به روش فراصوتی، در حجم‌های زیاد و با هزینهٔ کم، امکان گسترش کاربردهای گرافن را به صنایع هرچه بیشتری فراهم می‌کند.
گرافن لایه‌ای از کربن به ضخامت یک اتم است که می‌توان آن را ساختار تک‌لایه یا 2D گرافن توصیف کرد (گرافن تک‌لایه = SLG). گرافن دارای مساحت سطح ویژهٔ فوق‌العاده بزرگ و خواص مکانیکی برتر (مدول یانگ 1 TPa و استحکام ذاتی 130 GPa) است، رسانایی الکترونی و گرمایی عالی، تحرک حامل‌های بار و شفافیت دارد و در برابر گازها نفوذناپذیر است. به‌دلیل این ویژگی‌های ماده‌ای، گرافن به‌عنوان افزودنی تقویت‌کننده استفاده می‌شود تا استحکام، رسانایی و دیگر ویژگی‌های خود را به کامپوزیت‌ها بدهد. برای ترکیب ویژگی‌های گرافن با مواد دیگر، گرافن باید در ترکیب موردنظر پراکنده شود یا به‌صورت پوشش لایه‌نازک روی یک زیرلایه اعمال گردد.
فراصوت با عملکرد بالا! مجموعهٔ محصولات Hielscher تمام گستره را، از دستگاه فراصوتی آزمایشگاهی جمع‌وجور و واحدهای رومیزی تا سامانه‌های فراصوتی کاملاً صنعتی، پوشش می‌دهد.