પાણીમાં વિખેરી શકાય તેવા ગ્રાફીનનું અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન
- અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન દ્વારા ઉચ્ચ ઉત્પાદન ક્ષમતા સાથે અને ઓછા ખર્ચે એકસ્તરીય અને દ્વિસ્તરીય ગ્રાફીન નેનોશીટ્સ ઝડપથી ઉત્પન્ન કરી શકાય છે.
- પાણીમાં વિખેરી શકાય તેવું ગ્રાફીન મેળવવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક રીતે સ્તરવિચ્છેદિત ગ્રાફીનને બાયોપોલિમર્સ સાથે કાર્યાત્મક બનાવી શકાય છે.
- અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન દ્વારા સંશ્લેષિત ગ્રાફીન પર વધુ પ્રક્રિયા કરીને તેને સ્થિર જલીય વિક્ષેપણમાં ફેરવી શકાય છે.
ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા ગ્રાફીનનું અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન
ગ્રેફાઇટની પતરીઓ અથવા કણોમાંથી ગ્રાફીનનાં સ્તરો (એકસ્તરીય, દ્વિસ્તરીય અને થોડાં સ્તરોવાળું ગ્રાફીન) ઉત્પન્ન કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિકેશન એક વિશ્વસનીય પદ્ધતિ છે. બોલ મિલ અને રોલ મિલ અથવા ઉચ્ચ કતરણીવાળા મિક્સર જેવી અન્ય સામાન્ય સ્તરવિચ્છેદન તકનીકો નીચી ગુણવત્તા અને ઉગ્ર અભિકર્મકો તથા દ્રાવકોના ઉપયોગ સાથે સંકળાયેલી છે, જ્યારે અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન પદ્ધતિ તેના ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા ઉત્પાદન, ઉચ્ચ પ્રક્રિયા ક્ષમતા અને સૌમ્ય પ્રક્રિયા પરિસ્થિતિઓને કારણે પ્રભાવશાળી છે.
અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન તીવ્ર કતરણી બળો ઉત્પન્ન કરે છે, જે એકબીજા પર ગોઠવાયેલાં ગ્રેફાઇટનાં સ્તરોને ખામીરહિત ગ્રાફીનનાં એક, બે અને થોડાં સ્તરોમાં અલગ કરે છે.
સોનિકેશન દ્વારા પાણીમાં વિખેરી શકાય તેવી ગ્રાફીન શીટ્સ
પાણી અથવા કાર્બનિક દ્રાવકોમાં કાર્બન નેનોટ્યુબ્સની ગૂંચ ઉકેલવા માટે અલ્ટ્રાસોનિકેશન પુનરાવર્તિત કરી શકાય તેવાં પરિણામો આપતી અસરકારક પ્રક્રિયા છે.[/caption]સામાન્ય પરિસ્થિતિઓમાં ગ્રાફીન પાણીમાં ભાગ્યે જ વિખેરી શકાય છે અને જલીય માધ્યમમાં વિખેરવામાં આવે ત્યારે તે સમુચ્ચયો અને ગૂચ્છો બનાવે છે. જલીય પ્રણાલીઓ સસ્તી, બિનઝેરી અને પર્યાવરણને અનુકૂળ હોવાના નોંધપાત્ર ફાયદા ધરાવતી હોવાથી, પાણી આધારિત ગ્રાફીન પ્રણાલીઓ ગ્રાફીન ઉત્પાદકો અને અનુવર્તી ઉદ્યોગો માટે અત્યંત આકર્ષક છે.
પાણીમાં વિખેરી શકાય તેવી ગ્રાફીન નેનોશીટ્સ મેળવવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક રીતે સ્તરવિચ્છેદિત ગ્રાફીનને પુલુલાન, કાઇટોસાન, એલ્જિનેટ, જિલેટિન અથવા ગમ અરેબિક જેવા પોલિસેકેરાઇડ્સ / બાયોપોલિમર્સથી સંશોધિત કરવામાં આવે છે.
- ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળું ગ્રાફીન
- ઉચ્ચ ઉપજ
- પાણી આધારિત વિક્ષેપણ
- ઉચ્ચ સાંદ્રતા
- ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા
- ઝડપી પ્રક્રિયા
- ઓછો ખર્ચ
- ઉચ્ચ ઉત્પાદન ક્ષમતા
- પર્યાવરણને અનુકૂળ
ઔદ્યોગિક સ્તરે ગ્રાફીનના સ્તરવિચ્છેદન માટે પ્રોબ પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ ધરાવતું અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટર
અલ્ટ્રાસોનિક્સનો ઉપયોગ કરીને ગ્રેફાઇટના સીધા સ્તરવિચ્છેદનની કાર્યપદ્ધતિ
બિનઆયનિક પુલુલાન અને ઋણાયનિક એલ્જિનેટ (1.0 g)ને અલગ અલગ 20 ml નિસ્યંદિત પાણીમાં ઓગાળવામાં આવ્યાં હતાં, જ્યારે ધનાયનિક કાઇટોસાન (0.4 g)ને 1 wt% એસિટિક એસિડ ધરાવતા 20 ml નિસ્યંદિત પાણીમાં ઓગાળવામાં આવ્યું હતું. ગ્રેફાઇટ પાઉડરને જલીય બાયોપોલિમર દ્રાવણોમાં વિખેરવામાં આવ્યો હતો અને ટાઇટેનિયમ સોનોટ્રોડ (માઇક્રો ટિપ S3, ટિપનો વ્યાસ 3 mm, મહત્તમ કંપવિસ્તાર 210µm, ધ્વનિક શક્તિ ઘનતા અથવા સપાટીની તીવ્રતા 460 W cm-2)થી સજ્જ પ્રોબ પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટર UP200S (મહત્તમ શક્તિ 200 W, આવર્તન 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, જર્મની)નો ઉપયોગ કરીને નીચેની પરિસ્થિતિઓમાં પ્રક્રિયા કરવામાં આવી હતી: 0.5 ચક્ર અને 50% કંપવિસ્તાર, અનુક્રમે 10, 20, 30 અને 60 minના સમયગાળા માટે. 30min સોનિકેશનથી શ્રેષ્ઠ પરિણામો મળ્યાં હતાં. 731 Ws ml-1ના ઊર્જા વપરાશ (એકમ ઘનફળદીઠ ઊર્જા નિર્ગમ) સાથે 30 મિનિટ માટે 16.25 Wની શક્તિએ સોનિકેશન કરવામાં આવ્યું હતું.
ત્યારબાદ, સ્તરવિચ્છેદિત ન થયેલા ગ્રેફાઇટના કણોને દૂર કરવા માટે મિશ્રણોને 1500 rpm પર 60 min સુધી અપકેન્દ્રિત કરવામાં આવ્યાં હતાં અને પછી વધારાના બાયોપોલિમર્સ દૂર કરવા માટે 5 વખત ધોઈને ફરીથી 5000 rpm પર 20 min સુધી અપકેન્દ્રિત કરવામાં આવ્યાં હતાં. પરિણામી ઘેરા રાખોડી દ્રાવણોને 40ºC પર નિર્વાતમાં ત્યાં સુધી સૂકવવામાં આવ્યાં હતાં જ્યાં સુધી દ્રવ્યમાનમાં ઘટાડો થતો બંધ ન થયો. પરિણામી પોલિમર–ગ્રાફીન પાઉડરને લાક્ષણિકતાઓના નિર્ધારણ માટે પાણીમાં ફરીથી વિખેરવામાં આવ્યા હતા (પુલુલાન અને કાઇટોસાન માટે 1 mg ml-1; એલ્જિનેટ માટે 0.18 mg ml-1). પુલુલાન, એલ્જિનેટ અને કાઇટોસાનની સહાયથી કરાયેલા અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્વારા મેળવેલી ગ્રાફીન શીટ્સને અનુક્રમે pull-G, alg-G અને chit-G તરીકે દર્શાવવામાં આવી હતી.
ત્રણ પ્રણાલીઓમાંથી પુલુલાન અને કાઇટોસાન ગ્રેફાઇટના સ્તરવિચ્છેદનમાં એલ્જિનેટ કરતાં વધુ અસરકારક હતાં. આ પદ્ધતિથી માત્ર ઓછા પાર્શ્વીય (ધારના) દોષો ધરાવતી સ્તરવિચ્છેદિત એકસ્તરીય, દ્વિસ્તરીય અને થોડાં સ્તરોવાળી ગ્રાફીન શીટ્સ પ્રાપ્ત થઈ હતી. ગ્રાફીનની સપાટી પર બાયોપોલિમર્સનું અધિશોષણ જલીય વિક્ષેપણને લાંબા સમયની સ્થિરતા (6 મહિનાથી વધુ) પ્રદાન કરે છે.
(જુઓ Unalan et al. 2015)
પાણીમાં ગ્રેફાઇટની એક પતરીનું ધ્વનિ–યાંત્રિક સ્તરવિચ્છેદન દર્શાવતો ફ્રેમ્સનો ઉચ્ચ ગતિનો ક્રમ (a થી f સુધી), જેમાં 3-mm સોનોટ્રોડ ધરાવતા 200W અલ્ટ્રાસોનિકેટર UP200S નો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. તીરો વિભાજન (સ્તરવિચ્છેદન)નું સ્થાન દર્શાવે છે, જ્યાં કેવિટેશનના પરપોટા તિરાડમાં પ્રવેશે છે.
(અભ્યાસ અને ચિત્રો: © Tyurnina et al. 2020
pull-Gનાં TEM ચિત્રો: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min માટે; (e) 30 min માટે chit-G; (f) 30 min માટે alg-G. (Unalan et al. 2015)
ગ્રાફીનના સ્તરવિચ્છેદન માટે અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ
ગ્રેફાઇટ અને ગ્રાફીનના સફળ સ્તરવિચ્છેદન અને વિક્ષેપણ માટે Hielscher ના ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સનો વિશ્વભરમાં ઉપયોગ થાય છે. અમારા અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સર્સ પ્રયોગશાળાના અને બેન્ચ પર મૂકવાના એકમોથી લઈને સંપૂર્ણ ઔદ્યોગિક ઉત્પાદન એકમો સુધી ઉપલબ્ધ છે. મજબૂતી, 24/7 કામગીરી અને ઓછી જાળવણી ઉપરાંત, Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ પ્રક્રિયા ચલાવવાની અત્યંત સરળતા અને રેખીય રીતે ઉત્પાદનનું પ્રમાણ વધારી શકવાની ક્ષમતાને કારણે પ્રભાવશાળી છે.
પ્રયોગશાળામાં પ્રક્રિયાઓનું સહેલાઈથી પરીક્ષણ અને શ્રેષ્ઠીકરણ કરી શકાય છે. ત્યારબાદ, પ્રક્રિયાનાં તમામ પરિણામોને સંપૂર્ણપણે રેખીય રીતે વ્યાવસાયિક ઉત્પાદનના સ્તર સુધી વધારી શકાય છે. આથી સોનિકેશન ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળી ગ્રાફીન શીટ્સના મોટા જથ્થાના ઉત્પાદન માટે અસરકારક અને કાર્યક્ષમ પદ્ધતિ બને છે.
Hielscher Ultrasonics ના ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સ ખૂબ ઊંચા કંપવિસ્તારો આપી શકે છે. 200µm સુધીના કંપવિસ્તારો સાથે 24/7 કામગીરી સહેલાઈથી સતત ચલાવી શકાય છે. તેનાથી પણ ઊંચા કંપવિસ્તારો માટે જરૂરિયાત મુજબ બનાવેલા અલ્ટ્રાસોનિક સોનોટ્રોડ્સ ઉપલબ્ધ છે. અનુરૂપ અલ્ટ્રાસાઉન્ડ રિએક્ટર્સ ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળી ગ્રાફીન નેનોશીટ્સ તેમજ સ્થિર નેનોશીટ વિક્ષેપણોના વિશ્વસનીય અને સલામત મોટા પાયે ઉત્પાદનની ક્ષમતા સુનિશ્ચિત કરે છે.
Hielscher નાં અલ્ટ્રાસોનિક સાધનોની મજબૂતી ભારે કાર્યભાર હેઠળ અને પડકારજનક વાતાવરણમાં 24/7 કામગીરી શક્ય બનાવે છે.
નીચેનું કોષ્ટક અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સની અંદાજિત પ્રક્રિયા ક્ષમતાનો ખ્યાલ આપે છે:
| બેચનું ઘનફળ | પ્રવાહ દર | ભલામણ કરેલાં ઉપકરણો |
|---|---|---|
| 10 થી 2000mL | 20 થી 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 થી 20L | 0.2 થી 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 થી 100L | 2 થી 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 થી 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | વધુ | એકમોનો સમૂહ: UIP16000 |
અમારો સંપર્ક કરો! / અમને પૂછો!
2D નેનોશીટ્સના અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદનની કાર્યવિધિ.
(અભ્યાસ અને આલેખ: Tyurnina et al., 2020)
જાણવા યોગ્ય તથ્યો
ગ્રાફીન
ગ્રાફીનમાં sp2-બંધિત કાર્બન પરમાણુઓનું એકસ્તર હોય છે. ગ્રાફીનનાં સૌથી મહત્ત્વપૂર્ણ ગુણધર્મોમાં અસાધારણ રીતે વિશાળ વિશિષ્ટ સપાટી ક્ષેત્રફળ (2620 m2 g-1), 1 TPaના યંગ મોડ્યુલસ અને 130 GPaની આંતરિક મજબૂતી સાથેના શ્રેષ્ઠ યાંત્રિક ગુણધર્મો, અત્યંત ઊંચી ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા (ઓરડાના તાપમાને ઇલેક્ટ્રોનની ગતિશીલતા 2.5 × 105 cm2 V-1 s-1), ખૂબ ઊંચી ઉષ્મીય વાહકતા (3000 W m K-1થી વધુ) જેવા અનન્ય પદાર્થલક્ષી ગુણધર્મોનો સમાવેશ થાય છે. તેના શ્રેષ્ઠ પદાર્થલક્ષી ગુણધર્મોને કારણે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળી બેટરીઓ, ઇંધણ કોષો, સૌર કોષો, સુપરકેપેસિટર, હાઇડ્રોજન સંગ્રહ પ્રણાલીઓ, વિદ્યુતચુંબકીય કવચો અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોના વિકાસ અને ઉત્પાદનમાં ગ્રાફીનનો વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે. વધુમાં, ગ્રાફીનને અનેક નેનોસંયુક્ત અને સંયુક્ત પદાર્થોમાં મજબૂતી વધારતા ઉમેરક તરીકે સમાવિષ્ટ કરવામાં આવે છે, ઉદાહરણ તરીકે પોલિમર્સ, સિરામિક્સ અને ધાતુના મેટ્રિક્સમાં. તેની ઊંચી વાહકતાને કારણે ગ્રાફીન વાહક રંગો અને શાહીઓનો એક મહત્ત્વપૂર્ણ ઘટક છે.
મોટા જથ્થામાં ઓછા ખર્ચે થતી ઝડપી અને સલામત ખામીરહિત ગ્રાફીનની અલ્ટ્રાસોનિક તૈયારી ગ્રાફીનના ઉપયોગોને વધુ ને વધુ ઉદ્યોગો સુધી વિસ્તૃત કરવાનું શક્ય બનાવે છે.
સાહિત્ય/સંદર્ભો
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- 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.
- 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.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજેનાઇઝર્સનું ઉત્પાદન પ્રયોગશાળાના કદથી લઈને ઔદ્યોગિક કદ સુધી કરે છે.