Vesipohjainen grafeenin kuorinta
Ultraäänikuorinta mahdollistaa muutaman kerroksen grafeenin tuottamisen ilman kovia liuottimia käyttämällä vain puhdasta vettä. Suuritehoinen sonikaatio delaminoi grafeenilevyt lyhyessä hoidossa. Liuottimien välttäminen muuttaa grafeenin kuorinnan vihreäksi, kestäväksi prosessiksi.
Grafeenin tuotanto nestefaasin kuorinnan avulla
Grafeenia valmistetaan kaupallisesti niin sanotulla nestefaasikuorinnalla. Grafeenin nestefaasikuorinta edellyttää myrkyllisten, ympäristölle haitallisten ja kalliiden liuottimien käyttöä, jota käytetään kemiallisena esikäsittelynä tai mekaanisen dispersiotekniikan yhdistelmänä. Grafeenilevyjen mekaanista dispersiota varten ultrasonication on todettu erittäin luotettavaksi, tehokkaaksi ja turvalliseksi tekniikaksi korkealaatuisten grafeenilevyjen tuottamiseksi suurina määrinä täysin teollisella tasolla. Koska voimakkaiden liuottimien käyttöön liittyy aina kustannuksia, kontaminaatiota, monimutkaista poistamista ja hävittämistä, turvallisuusnäkökohtia sekä ympäristökuormitusta, myrkytön ja turvallisempi vaihtoehto on huomattavan edullinen. Grafeenin kuorinta käyttämällä vettä liuottimena ja tehon ultraääntä muutaman kerroksen grafeenilevyjen mekaaniseen delaminointiin on siksi erittäin lupaava tekniikka vihreän grafeenin valmistukseen.
Yleisiä liuottimia, joita käytetään usein nestemäisenä faasina grafeenin nanoarkkien hajottamiseksi, ovat dimetyylisulfoksidi (DMSO), N,N-dimetyyliformamidi (DMF), N-metyyli-2-pyrrolidoni (NMP), tetrametyyliurea (TMU), tetrahydrofuraani (THF), propyleenikarbonaattiasetoni (PC), etanoli ja formamidi.
Jo pitkäaikaisena vakiintuneena grafeenin kuorintatekniikkana kaupallisessa mittakaavassa ultrasonication mahdollistaa korkealaatuisen, erittäin puhtaan grafeenin tuottamisen alhaisin kustannuksin. Koska ultraäänigrafeenin kuorinta voidaan skaalata täysin lineaarisesti mihin tahansa tilavuuteen, korkealaatuisten grafeenihiutaleiden tuotantotuotto voidaan helposti toteuttaa grafeenin massatuotantoon.
UIP2000hdT on 2kW tehokas ultraäänidispergointilaite grafeenin kuorintaan ja dispersioon.
Grafeenin ultraäänikuorinta vedessä
(2020) tutki amplitudin ja sonikaatiointensiteetin vaikutuksia puhtaisiin vesigrafiittiliuoksiin ja tuloksena olevaan grafeenin kuorintaan. Tutkimuksessa he käyttivät Hielscher UP200S: ää (200W, 24kHz). Ultraäänikuorinta vedellä levitettiin yksivaiheisena prosessina muutaman kerroksen grafeenin delaminaatioon. Lyhyt 2 tunnin käsittely riitti tuottamaan muutaman kerroksen grafeenia avoimessa dekantterilasisonikaatiokokoonpanossa.
Nopea kehyssarja (a:sta f:ään), joka kuvaa grafiittihiutaleen sonomekaanista kuorintaa vedessä käyttämällä UP200: ta, 24 kHz: n ultraäänilaitetta, jossa on 3 mm: n sonotrode. Nuolet osoittavat halkaisupaikan (kuorinnan) kavitaatiokuplien tunkeutuessa halkeamaan.
Ultraäänigrafeenin kuorinnan optimointi
(2020) voidaan helposti optimoida tehokkuuden lisäämiseksi ja nopeammaksi kuorinnaksi käyttämällä suljettua ultraäänireaktoria läpivirtaustilassa. Ultraääni-inline-käsittely mahdollistaa kaikkien grafiittiraaka-aineiden huomattavasti yhtenäisemmän ultraäänikäsittelyn: grafiitti? vesiliuoksen syöttäminen suoraan ultraäänikavitaation suljettuun tilaan, kaikki grafiitti muuttuu tasaisesti sonikoiduksi, mikä johtaa korkealaatuisten grafeenihiutaleiden korkeaan saantoon.
Hielscher Ultrasonics -järjestelmät mahdollistavat kaikkien tärkeiden käsittelyparametrien, kuten amplitudin, ajan? pidätyksen, energian syötön (Ws? ml), paineen ja lämpötilan, tarkan hallinnan. Optimaalisten ultraääniparametrien asettaminen johtaa korkeimpaan saantoon, laatuun ja yleiseen tehokkuuteen.
Miten ultrasonication edistää grafeenin kuorintaa
Kun suuritehoiset ultraääniaallot kytketään grafiittijauheen ja veden tai minkä tahansa liuottimen lietteeseen, sonomekaaniset voimat, kuten korkea leikkaus, voimakkaat turbulenssit ja korkeat paine- ja lämpötilaerot luovat energiaintensiivisiä olosuhteita. Nämä energiaintensiiviset olosuhteet ovat seurausta akustisen kavitaation ilmiöstä.
Lue lisää ultraäänikavitaatiosta täältä!
Tehon ultraääni käynnistää grafiittijauheen laajenemisen, koska nesteet puristetaan grafeenikerrosten väliin, joista grafiitti koostuu. Ultraäänileikkausvoimat delaminoivat yksittäiset grafeenilevyt ja hajottavat ne grafeenihiutaleina liuokseen. Grafeenin pitkäaikaisen stabiilisuuden saamiseksi vedessä tarvitaan pinta-aktiivista ainetta.
Grafeenin kuorinnan ultraääninestefaasin kuorinnan mechnismi.
Korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteet grafeenin kuorintaan
Hielscher-ultraäänilaitteiden älykkäät ominaisuudet on suunniteltu takaamaan luotettava toiminta, toistettavat tulokset ja käyttäjäystävällisyys. Käyttöasetuksiin pääsee helposti käsiksi ja niihin voi valita intuitiivisen valikon kautta, johon pääsee digitaalisen värikosketusnäytön ja selaimen kaukosäätimen kautta. Siksi kaikki käsittelyolosuhteet, kuten nettoenergia, kokonaisenergia, amplitudi, aika, paine ja lämpötila, tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille. Näin voit tarkistaa ja verrata aiempia sonikaatioajoja ja optimoida grafeenin kuorintaprosessin mahdollisimman tehokkaasti.
Hielscher Ultrasonics -järjestelmiä käytetään maailmanlaajuisesti korkealaatuisten grafeenilevyjen ja grafeenioksidien valmistukseen. Hielscherin teolliset ultraäänilaitteet voivat helposti ajaa suuria amplitudit jatkuvassa toiminnassa (24/7/365). Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti tuottaa jatkuvasti tavallisilla sonotrodeilla (ultraäänianturit? sarvet ja CascatrodesTM). Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Kestävyytensä ja vähäisen huoltonsa ansiosta ultraäänikuorintajärjestelmämme asennetaan yleisesti raskaisiin sovelluksiin ja vaativiin ympäristöihin.
Hielscherin ultraääniprosessorit grafeenin kuorintaan on jo asennettu maailmanlaajuisesti kaupallisessa mittakaavassa. Ota yhteyttä nyt keskustellaksesi grafeenin valmistusprosessistasi! Kokenut henkilökuntamme jakaa mielellään lisätietoja kuorintaprosessista, ultraäänijärjestelmistä ja hinnoittelusta!
Jos haluat lisätietoja ultraäänigrafeenin synteesistä, dispersiosta ja funktionalisoinnista, napsauta tätä:
- Grafeenin tuotanto
- Grafeenin nanoverihiutaleet
- Vesipohjainen grafeenin kuorinta
- Veteen dispergoituva grafeeni
- grafeenioksidi
- Xenes
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml? min | UP100H |
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L? min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-100L? min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä!? Kysy meiltä!
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita sekoitussovelluksiin, dispersioon, emulgointiin ja uuttamiseen laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.
Kirjallisuus? Viitteet
- 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.
Faktoja, jotka kannattaa tietää
Mikä on grafeeni?
Grafeeni on yksikerroksinen sp2-sidotut hiiliatomit. Grafeeni tarjoaa ainutlaatuisia materiaaliominaisuuksia, kuten poikkeuksellisen suuren ominaispinta-alan (2620 m2g-1), superior mechanical properties with a Young’s modulus of 1 TPa and an intrinsic strength of 130 GPa, an extremely high electronic conductivity (room-temperature electron mobility of 2.5 × 105 cm2 V-1s-1), erittäin korkea lämmönjohtavuus (yli 3000 W m K-1), tärkeimmät ominaisuudet mainitakseni. Erinomaisten materiaaliominaisuuksiensa vuoksi grafeenia käytetään voimakkaasti korkean suorituskyvyn akkujen, polttokennojen, aurinkokennojen, superkondensaattorin, vetyvarastojen, sähkömagneettisten kilpien ja elektronisten laitteiden kehittämisessä ja tuotannossa. Lisäksi grafeeni sisältyy moniin nanokomposiitteihin ja komposiittimateriaaleihin vahvistavana lisäaineena, esimerkiksi polymeereissä, keramiikassa ja metallimatriiseissa. Korkean johtavuutensa vuoksi grafeeni on tärkeä osa johtavia maaleja ja musteita.
Virheettömän grafeenin nopea ja turvallinen ultraäänivalmistus suurina määrinä alhaisin kustannuksin mahdollistaa grafeenin sovellusten laajentamisen yhä useammille teollisuudenaloille.
Graphene is a one-atom-thick layer of carbon, which can be described as a single-layer or 2D structure of graphene (single layer graphene = SLG). Graphene has an extraordinarily large specific surface area and superior mechanical properties (Young’s modulus of 1 TPa and intrinsic strength of 130 GPa), offers great electronic and thermal conductivity, charge carrier mobility, transparency, and is impermeable to gases. Due to these material characteristics, graphene is used as reinforcing additive to give composites its strength, conductivity, etc. In order to combine the characteristics of graphene with other materials, graphene must be dispersed into the compound or is applied as a thin-film coating onto a substrate.
High performance ultrasonics! Hielscher’s product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.