Vesipohjainen grafeenin kuorinta
Ultraääni kuorinta mahdollistaa tuottaa harvakerroksista grafeenia ilman kovia liuottimista, jotka käyttävät vain puhdasta vettä. Suuritehoinen sonikaatio delaminoi grafeenilevyt lyhyen hoidon aikana. Liuottimien välttäminen muuttaa grafeenin kuorinnan vihreäksi, kestäväksi prosessiksi.
Grafeenin tuotanto nestevaiheen kuorinnan kautta
Grafeeni valmistetaan kaupallisesti niin sanotulla neste faasin kuorinnalla. Grafeenin nestemäisen faasin kuorinta edellyttää myrkyllisten, ympäristölle haitallisten ja kalliiden liuottimien käyttöä, jota käytetään kemiallisena esikäsittelynä tai mekaanisen dispersiotekniikan yhdistelmänä tai mekaanisen dispersiotekniikan kanssa. Grafeenilevyjen mekaanista dispersiota varten ultrasonication on todettu erittäin luotettavaksi, tehokkaaksi ja turvalliseksi tekniikaksi tuottaa korkealaatuisia grafeenilevyjä suurina määrinä täysin teollisella tasolla. Koska komattomien liuottimien käyttöön liittyy aina kustannuksia, kontaminaatiota, monimutkaista poistamista ja hävittämistä, turvallisuusongelmia sekä ympäristökuormitusta, myrkytön ja turvallisempi vaihtoehto on merkittävästi edullinen. Grafeenin kuorinta, jossa käytetään vettä liuottimena ja tehon ultraääniä muutaman kerroksen grafeenilevyjen mekaaniseen delaminointiin, on siksi erittäin lupaava tekniikka vihreän grafeenin valmistukseen.
Yleisiä liuottimia, joita käytetään usein nestemäisenä faasina grafeenin nanosheettien hajottamiseen, ovat dimetyylisulfoksidi (DMSO), N,N-dimetyyliformamidi (DMF), N-metyyli-2-pyrrolidoni (NMP), tetrametyyliurea (TMU), tetrahydrofuraani (THF), propeenikarbonasetoni (PC), etanoli ja formamidi.
Koska ultrasonication on jo pitkään vakiintunut tekniikka grafeenin kuorintaan kaupallisessa mittakaavassa, se mahdollistaa korkealaatuisen grafeenin, jonka puhtaus on korkea ja kustannukset. Koska ultraäänigrafeenin kuorinta voidaan täysin lineaarisesti skaalata mihin tahansa tilavuuteen, korkealaatuisten grafeenihiutaleiden tuotantotuotto voidaan helposti toteuttaa grafeenin massatuotantoon.
Nniiden UIP2000hdT on 2kW tehokas ultraääni dispergointilaite grafeenin kuorintaan ja dispersiointiin.
Grafeenin ultraääni kuorinta vedessä
Tyurnina et al. (2020) selvitti amplitudi- ja sonikaatiointensiteetin vaikutuksia puhtaiden vesigrafiittisten liuoksen ja siitä johtuvan grafeenin kuorinnan vaikutuksiin. Tutkimuksessa käytettiin Hielscheriä. UP200S (200W, 24 kHz). Ultraääni kuorinta vedellä levitettiin yksivaiheiseksi prosessiksi muutamalle kerroksen grafeenin desiminaatiolle. Lyhyt 2 tunnin hoito riitti tuottamaan harvakerroksista grafeenia avoimessa nimikkosynnikaatioasetelmassa.
Nopea sarja (a:sta f:ään) kehyksiä, jotka kuvaavat grafiittihiutaleen sonomekaanista kuorintaa vedessä UP200-luvulla, 24 kHz:n ultraäänilaite, jossa on 3 mm sonotrode. Nuolet näyttävät halkaisun (kuorinnan) paikan, jossa kavitaatiokuplat tunkeutuvat jakoon.
© Tyurnina ym.CC BY-NC-ND 4.0)
Ultraäänigrafeenin kuorinnan optimointi
Tyurnina et al. (2020) -sovelluksen käyttämä ultraääniasetus voidaan helposti optimoida tehokkuuden lisäämiseksi ja kuorinnan nopeuttamiseksi käyttämällä suljettua ultraäänireaktoria läpivirtaustilassa. Ultraääni inline-käsittely mahdollistaa huomattavasti tasaisemman ultraäänikäsittelyn kaikelle grafiittiraaka-aineelle: grafiitti / vesiliuos syötetään suoraan ultraäänikavitaatioon, kaikki grafiitti muuttuu tasaisesti äänitetyksi, mikä johtaa korkealaatuisten grafeenihiutaleiden korkeaan saantoon.
Hielscher Ultrasonics -järjestelmät mahdollistavat kaikkien tärkeiden prosessointiparametrien, kuten amplitudi, aika / retentio, energiansyöttö (Ws / ml), paineen ja lämpötilan, tarkan hallinnan. Optimaalisten ultraääniparametrien asettaminen johtaa korkeimpaan saantoon, laatuun ja yleiseen tehokkuuteen.
Miten ultrasonication edistää grafeenin kuorinta
Kun suuritehoiset ultraääniaallot on yhdistetty grafiittijauheen ja veden lietteeseen tai mihin tahansa liuottimeen, sonomekaaniset voimat, kuten korkea leikkaus, voimakkaat turbulenssit ja korkeapaine- ja lämpötilaerot, luovat energiaintensiitiivisiä olosuhteita. Nämä energiaintensiintiolosuhteet ovat seurausta akustisen kavitaatioilmiön ilmiöstä. Lue lisää ultraäänikavitaatiosta täältä!
Teho ultraääni käynnistää grafiittijauheen laajentamisen, koska nesteitä painetaan grafeenikerrosten väliin, joista grafiitti koostuu. Ultraäänisaksi pakottaa delaminoitumaan yksittäiset grafeenilevyt ja hajottamaan ne grafeenihiutaleina liuoksessa. Grafeenin pitkän aikavälin stabiilius vedessä edellyttää pinta-aaktiivista aktiivia.
Grafeenin kuorinnan ultraäänineste faasin kuorinnan mechnismi.
Tutkimus ja kuva Tyurnina et al., 2021.
Korkean suorituskyvyn ultraääniastiat grafeenin kuorintaan
Hielscher-ultraäänilaitteiden älykkäät ominaisuudet on suunniteltu takaamaan luotettava toiminta, toistettavissa oleva lopputulos ja käyttäjäystävällisyys. Toiminta-asetuksiin pääsee helposti käsiksi ja niihin voi soittaa intuitiivisen valikon kautta, johon pääsee digitaalisen värikosketusnäytön ja selaimen kaukosäätimen kautta. Siksi kaikki käsittelyolosuhteet, kuten nettoenergia, kokonaisenergia, amplitudi, aika, paine ja lämpötila, kirjataan 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 ultraäänikoneet voivat helposti käyttää korkeita amplitudia jatkuvassa käytössä (24/7/365). Jopa 200 μm:n amplitudit voidaan helposti jatkuvasti tuottaa tavallisilla sonotrodeilla (ultraäänianturit / sarvet ja ja cascatrodesTm). Vielä korkeampia amplitudit, räätälöity ultraääni ultraääni sonotrodit ovat saatavilla. Niiden kestävyyden ja vähäisen huollon vuoksi ultraäänipullausjärjestelmämme asennetaan yleisesti raskaisiin sovelluksiin ja vaativiin ympäristöihin.
Hielscher ultraääniprosessorit grafeenin kuorinta on jo asennettu maailmanlaajuisesti kaupallisessa mittakaavassa. Ota yhteyttä nyt keskustellaksesi grafeenin valmistusprosessistasi! Kokenut henkilökuntamme jakaa mielellään lisää tietoa kuorintaprosessista, ultraäänijärjestelmistä ja hinnoittelusta!
Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| erätilavuus | Virtausnopeus | Suositeltavat laitteet |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000 ml | 20 - 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2 - 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 - 100 litraa | 2 - 10 l / min | UIP4000hdT |
| n.a | 10 - 100 l / min | UIP16000 |
| n.a | suuremmat | klusterin UIP16000 |
Ota meihin yhteyttä! / Kysy meiltä!
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomygenisoijia sovellusten sekoittamiseen, dispersiointiin, emulgointiin ja uuttamiseen laboratoriossa, pilotissa ja teollisessa mittakaavassa.
Kirjallisuus / Referenssit
- 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.
Tosiasiat, jotka kannattaa tietää
grafeeni
Graphene on yksikerroksinen sp2sitoutuneita hiiliatomeja. Graphene tarjoaa ainutlaatuisia materiaaliominaisuuksia, kuten poikkeuksellisen suuren spesifisen pinta-alan (2620 m2g-1), erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, joiden Youngin modulus on 1 TPa ja lujuusluokka 130 GPa, erittäin korkea sähköinen johtavuus (huoneenlämpötilaelektroninen liikkuvuus 2,5 x 105 cm2 V-1s-1), erittäin korkea lämmönjohtavuus (yli 3000 W m K-1), nimeämään tärkeimmät ominaisuudet. Kehittyneiden materiaaliominaisuuksien ansiosta grafienia käytetään voimakkaasti tehokkaiden akkujen, polttokennojen, aurinkokennoiden, supervarastotornin, vetysäiliöiden, sähkömagneettisten kilpien ja elektronisten laitteiden kehittämisessä ja tuotannossa. Lisäksi grafeni on sisällytetty useisiin nanokomposiitteihin ja komposiittimateriaaleihin vahvistavana lisäaineena, esim. Polymeereissä, keramiikoissa ja metallimatriiseissa. Korkean johtavuuden ansiosta grafeni on tärkeä osa johtavia maaleja ja musteita.
Nopea ja turvallinen virheettömän grafeenin ultraäänimitta suurilla määrillä alhaisilla kustannuksilla voidaan laajentaa grafene-sovelluksia yhä useammalle alalle.
Grafeeni on yksiatominen paksu hiilikerros, jota voidaan kuvata gra- dienin yksikerroksiseksi tai 2D -rakenteeksi (yksikerroksinen grafesi = SLG). Grafeenilla on poikkeuksellisen suuri ominaispinta-ala ja erinomaiset mekaaniset ominaisuudet (Youngin 1 TPa-moduuli ja lujuusluokka 130 GPa), joka tarjoaa erinomaisen sähköisen ja lämmönjohtavuuden, latausliiketoiminnan liikkuvuuden, läpinäkyvyyden ja kaasun läpäisemättömyyden. Näiden materiaaliominaisuuksien takia grafeenia käytetään vahvistavana lisäaineena, joka antaa komposiitteille sen lujuuden, johtavuuden jne. Graphenin ominaisuuksien ja muiden materiaalien ominaisuuksien yhdistämiseksi grafeenia on dispergoitava yhdisteeksi tai levitettävä ohutkalvopäällysteeksi alustalle.
Korkean suorituskyvyn ultraääni! Hielscherin tuotevalikoima kattaa koko spektrin kompaktista laboratorion ultraäänikonesta penkki-top-yksiköihin täysteollinen ultraäänijärjestelmiin.