પાણી આધારિત ગ્રાફીનનું સ્તરવિચ્છેદન
અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન દ્વારા કઠોર દ્રાવકોનો ઉપયોગ કર્યા વિના માત્ર શુદ્ધ પાણીનો ઉપયોગ કરીને થોડાં સ્તરો ધરાવતું ગ્રાફીન બનાવી શકાય છે. ઉચ્ચ શક્તિનું સોનિકેશન ટૂંકા ઉપચારમાં ગ્રાફીનનાં પત્રકોને અલગ પાડે છે. દ્રાવકોનો ઉપયોગ ટાળવાથી ગ્રાફીનનું સ્તરવિચ્છેદન પર્યાવરણને અનુકૂળ અને ટકાઉ પ્રક્રિયા બને છે.
પ્રવાહી તબક્કામાં સ્તરવિચ્છેદન દ્વારા ગ્રાફીનનું ઉત્પાદન
ગ્રાફીનનું વ્યાપારી ઉત્પાદન પ્રવાહી તબક્કામાં સ્તરવિચ્છેદન તરીકે ઓળખાતી પદ્ધતિ દ્વારા કરવામાં આવે છે. ગ્રાફીનના પ્રવાહી તબક્કામાં સ્તરવિચ્છેદન માટે ઝેરી, પર્યાવરણને હાનિકારક અને મોંઘા દ્રાવકોનો ઉપયોગ જરૂરી છે, જેનો ઉપયોગ રાસાયણિક પૂર્વઉપચાર તરીકે અથવા યાંત્રિક વિખેરણ તકનીક સાથે સંયોજનમાં કરવામાં આવે છે. ગ્રાફીનનાં પત્રકોના યાંત્રિક વિખેરણ માટે, સંપૂર્ણ ઔદ્યોગિક સ્તરે મોટી માત્રામાં ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળાં ગ્રાફીન પત્રકો બનાવવા અલ્ટ્રાસોનિકેશન અત્યંત વિશ્વસનીય, કાર્યક્ષમ અને સલામત તકનીક તરીકે સ્થાપિત થયું છે. કઠોર દ્રાવકોના ઉપયોગ સાથે હંમેશાં ખર્ચ, દૂષણ, જટિલ નિષ્કાસન અને નિકાલ, સલામતીની ચિંતાઓ તેમજ પર્યાવરણીય બોજ સંકળાયેલા હોવાથી, બિનઝેરી અને વધુ સલામત વિકલ્પ નોંધપાત્ર રીતે લાભદાયી છે. તેથી, દ્રાવક તરીકે પાણી અને થોડાં સ્તરો ધરાવતાં ગ્રાફીન પત્રકોના યાંત્રિક સ્તરવિભાજન માટે શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ કરીને ગ્રાફીનનું સ્તરવિચ્છેદન કરવું એ પર્યાવરણને અનુકૂળ ગ્રાફીન ઉત્પાદન માટે અત્યંત આશાસ્પદ તકનીક છે.
ગ્રાફીન નેનોશીટ્સને વિખેરવા પ્રવાહી તબક્કા તરીકે વારંવાર ઉપયોગમાં લેવાતા સામાન્ય દ્રાવકોમાં ડાઇમિથાઇલ સલ્ફોક્સાઇડ (DMSO), N,N-ડાઇમિથાઇલફોર્મામાઇડ (DMF), N-મિથાઇલ-2-પાયરોલિડોન (NMP), ટેટ્રામિથાઇલયુરિયા (TMU), ટેટ્રાહાઇડ્રોફ્યુરાન (THF), પ્રોપિલીન કાર્બોનેટએસિટોન (PC), ઇથેનોલ અને ફોર્મામાઇડનો સમાવેશ થાય છે.
વ્યાપારી પાયે ગ્રાફીનના સ્તરવિચ્છેદન માટે લાંબા સમયથી સ્થાપિત તકનીક તરીકે, અલ્ટ્રાસોનિકેશન ઓછા ખર્ચે ઉચ્ચ શુદ્ધતા ધરાવતું ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળું ગ્રાફીન બનાવવાનું શક્ય બનાવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક ગ્રાફીન સ્તરવિચ્છેદનને કોઈપણ જથ્થા સુધી સંપૂર્ણપણે રેખીય પ્રમાણમાં વિસ્તારી શકાય છે, તેથી ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળી ગ્રાફીન પતરીઓની ઉત્પાદન ઉપજને ગ્રાફીનના મોટા પાયે ઉત્પાદન માટે સરળતાથી અમલમાં મૂકી શકાય છે.
UIP2000hdT એ 2kW શક્તિ ધરાવતું અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સર છે, જે ગ્રાફીનના સ્તરવિચ્છેદન અને વિખેરણ માટે છે.
પાણીમાં ગ્રાફીનનું અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન
Tyurnina et al. (2020) એ શુદ્ધ પાણી–ગ્રેફાઇટ દ્રાવણો પર કંપનવિસ્તાર અને સોનિકેશનની તીવ્રતાની અસરો તથા તેના પરિણામે થતા ગ્રાફીનના સ્તરવિચ્છેદનની તપાસ કરી હતી. અભ્યાસમાં તેમણે Hielscher UP200S (200W, 24kHz) નો ઉપયોગ કર્યો હતો. થોડાં સ્તરો ધરાવતા ગ્રાફીનના સ્તરવિભાજન માટે પાણીનો ઉપયોગ કરતું અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન એક જ પગલાની પ્રક્રિયા તરીકે લાગુ કરવામાં આવ્યું હતું. ખુલ્લા બીકરના સોનિકેશન સેટઅપમાં થોડાં સ્તરો ધરાવતું ગ્રાફીન બનાવવા માટે 2h નો ટૂંકો ઉપચાર પૂરતો હતો.
પાણીમાં ગ્રેફાઇટની પતરીનું ધ્વનિ-યાંત્રિક સ્તરવિચ્છેદન દર્શાવતી ફ્રેમોનો ઉચ્ચ ગતિનો ક્રમ (a થી f સુધી), જે 3-mm સોનોટ્રોડ ધરાવતા 24 kHz અલ્ટ્રાસોનિકેટર UP200s નો ઉપયોગ કરીને મેળવવામાં આવ્યો છે. તીરો વિભાજનનું સ્થાન (સ્તરવિચ્છેદન) દર્શાવે છે, જ્યાં કેવિટેશનના પરપોટા તિરાડમાં પ્રવેશે છે.
© Tyurnina et al., 2020
અલ્ટ્રાસોનિક ગ્રાફીન સ્તરવિચ્છેદનનું શ્રેષ્ઠીકરણ
Tyurnina et al. (2020) દ્વારા ઉપયોગમાં લેવાયેલા અલ્ટ્રાસોનિક સેટઅપને, પ્રવાહ પસાર થતો હોય તેવા મોડમાં બંધ અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરનો ઉપયોગ કરીને વધુ કાર્યક્ષમતા અને વધુ ઝડપી સ્તરવિચ્છેદન માટે સરળતાથી શ્રેષ્ઠ બનાવી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક ઇનલાઇન ઉપચાર તમામ ગ્રેફાઇટ કાચા માલનો નોંધપાત્ર રીતે વધુ એકસમાન અલ્ટ્રાસોનિક ઉપચાર શક્ય બનાવે છે: ગ્રેફાઇટ / પાણીના દ્રાવણને સીધું અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનની સીમિત જગ્યામાં દાખલ કરવાથી, તમામ ગ્રેફાઇટનું એકસમાન સોનિકેશન થાય છે અને ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળી ગ્રાફીન પતરીઓની ઊંચી ઉપજ મળે છે.
Hielscher Ultrasonics સિસ્ટમો કંપનવિસ્તાર, સમય / નિવાસ સમય, ઊર્જા ઇનપુટ (Ws/mL), દબાણ અને તાપમાન જેવા તમામ મહત્વપૂર્ણ પ્રક્રિયા પરિમાણો પર ચોક્કસ નિયંત્રણ રાખવા દે છે. શ્રેષ્ઠ અલ્ટ્રાસોનિક પરિમાણો ગોઠવવાથી સર્વોચ્ચ ઉપજ, ગુણવત્તા અને એકંદર કાર્યક્ષમતા મળે છે.
અલ્ટ્રાસોનિકેશન ગ્રાફીનના સ્તરવિચ્છેદનને કેવી રીતે પ્રોત્સાહિત કરે છે
જ્યારે ઉચ્ચ શક્તિનાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગોને ગ્રેફાઇટ પાઉડર અને પાણી અથવા કોઈપણ દ્રાવકની સ્લરીમાં યુગ્મિત કરવામાં આવે છે, ત્યારે ઉચ્ચ કર્તન, તીવ્ર અશાંતિ અને દબાણ તથા તાપમાનના મોટા તફાવતો જેવાં ધ્વનિ-યાંત્રિક બળો ઊર્જા-તીવ્ર પરિસ્થિતિઓ સર્જે છે. આ ઊર્જા-તીવ્ર પરિસ્થિતિઓ ધ્વનિક કેવિટેશનની ઘટનાનું પરિણામ છે.
અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન વિશે અહીં વધુ વાંચો!
શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ ગ્રેફાઇટ પાઉડરનું વિસ્તરણ શરૂ કરે છે, કારણ કે ગ્રેફાઇટ જે સ્તરોનું બનેલું છે તે ગ્રાફીન સ્તરોની વચ્ચે પ્રવાહીઓને દબાણથી ધકેલવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક કર્તન બળો ગ્રાફીનનાં અલગ-અલગ પત્રકોને છૂટાં પાડે છે અને દ્રાવણમાં ગ્રાફીનની પતરીઓ તરીકે વિખેરે છે. પાણીમાં ગ્રાફીનની લાંબા ગાળાની સ્થિરતા મેળવવા માટે પૃષ્ઠસક્રિય પદાર્થ જરૂરી છે.
ગ્રાફીનના પ્રવાહી તબક્કામાં અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદનની કાર્યપદ્ધતિ.
અભ્યાસ અને ચિત્ર: Tyurnina et al., 2021.
ગ્રાફીનના સ્તરવિચ્છેદન માટે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ
Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સની સ્માર્ટ સુવિધાઓ વિશ્વસનીય કામગીરી, પુનરુત્પાદનક્ષમ પરિણામો અને ઉપયોગમાં સરળતાની ખાતરી આપવા માટે રચવામાં આવી છે. સાહજિક મેનુ દ્વારા કામગીરીની સેટિંગ્સ સરળતાથી મેળવી અને ગોઠવી શકાય છે; આ મેનુ ડિજિટલ રંગીન ટચ-ડિસ્પ્લે અને બ્રાઉઝર રિમોટ કંટ્રોલ દ્વારા મેળવી શકાય છે. તેથી ચોખ્ખી ઊર્જા, કુલ ઊર્જા, કંપનવિસ્તાર, સમય, દબાણ અને તાપમાન જેવી તમામ પ્રક્રિયા પરિસ્થિતિઓ આંતરિક SD-કાર્ડ પર આપમેળે નોંધાય છે. આ તમને અગાઉનાં સોનિકેશન ચક્રોની સમીક્ષા અને સરખામણી કરવા તથા ગ્રાફીન સ્તરવિચ્છેદન પ્રક્રિયાને સર્વોચ્ચ કાર્યક્ષમતા માટે શ્રેષ્ઠ બનાવવા દે છે.
ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળાં ગ્રાફીન પત્રકો અને ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ્સના ઉત્પાદન માટે Hielscher Ultrasonics સિસ્ટમોનો વિશ્વભરમાં ઉપયોગ થાય છે. Hielscher ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ સતત કામગીરીમાં (24/7/365) સરળતાથી ઊંચા કંપનવિસ્તાર પર ચાલી શકે છે. 200µm સુધીના કંપનવિસ્તાર પ્રમાણભૂત સોનોટ્રોડ્સ (અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ્સ / હોર્ન્સ અને CascatrodesTM) વડે સરળતાથી સતત ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. તેનાથી પણ ઊંચા કંપનવિસ્તાર માટે જરૂરિયાત અનુસાર બનાવેલા અલ્ટ્રાસોનિક સોનોટ્રોડ્સ ઉપલબ્ધ છે. મજબૂતાઈ અને ઓછી જાળવણીની જરૂરિયાતને કારણે, અમારી અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન સિસ્ટમો સામાન્ય રીતે ભારે કામગીરીવાળા ઉપયોગો અને કઠિન પરિસ્થિતિઓમાં સ્થાપિત કરવામાં આવે છે.
ગ્રાફીનના સ્તરવિચ્છેદન માટે Hielscher અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સ વિશ્વભરમાં વ્યાપારી પાયે પહેલેથી જ સ્થાપિત છે. તમારી ગ્રાફીન ઉત્પાદન પ્રક્રિયા વિશે ચર્ચા કરવા હમણાં જ અમારો સંપર્ક કરો! અમારા અનુભવી કર્મચારીઓ સ્તરવિચ્છેદન પ્રક્રિયા, અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમો અને કિંમતો વિશે વધુ માહિતી આપવામાં આનંદ અનુભવશે!
અલ્ટ્રાસોનિક ગ્રાફીન સંશ્લેષણ, વિખેરણ અને કાર્યાત્મક સમૂહોના સંયોજન વિશે વધુ જાણવા માટે, કૃપા કરીને અહીં ક્લિક કરો:
- ગ્રાફીનનું ઉત્પાદન
- ગ્રાફીન નેનોપ્લેટલેટ્સ
- પાણી આધારિત ગ્રાફીનનું સ્તરવિચ્છેદન
- પાણીમાં વિખેરી શકાય તેવું ગ્રાફીન
- ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ
- Xenes
| બેચનું કદ | પ્રવાહ દર | ભલામણ કરેલાં ઉપકરણો |
|---|---|---|
| 1 થી 500mL | 10 થી 200mL/min | UP100H |
| 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 | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 થી 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | વધુ | સમૂહમાં ગોઠવાયેલાં UIP16000 |
અમારો સંપર્ક કરો! / અમને પૂછો!
Hielscher Ultrasonics પ્રયોગશાળા, પાઇલટ અને ઔદ્યોગિક પાયે મિશ્રણના ઉપયોગો, વિખેરણ, ઇમલ્સીકરણ અને નિષ્કર્ષણ માટે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજેનાઇઝર્સ 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
- 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.
જાણવા યોગ્ય તથ્યો
ગ્રાફીન શું છે?
ગ્રાફીન sp2-બંધિત કાર્બન પરમાણુઓનું એકસ્તરીય પડ છે. ગ્રાફીનના સૌથી મહત્વપૂર્ણ ગુણધર્મોમાં અસાધારણ રીતે મોટું વિશિષ્ટ સપાટી ક્ષેત્રફળ (2620 m2 g-1), 1 TPa ના યંગના મોડ્યુલસ અને 130 GPa ની આંતરિક મજબૂતાઈ સાથેના શ્રેષ્ઠ યાંત્રિક ગુણધર્મો, અત્યંત ઊંચી ઇલેક્ટ્રોનિક વાહકતા (ઓરડાના તાપમાને ઇલેક્ટ્રોનની ગતિશીલતા 2.5 × 105 cm2 V-1 s-1), અત્યંત ઊંચી ઉષ્મીય વાહકતા (3000 W m K-1 થી વધુ) જેવા અનન્ય ભૌતિક લક્ષણોનો સમાવેશ થાય છે. તેના શ્રેષ્ઠ ભૌતિક ગુણધર્મોને કારણે, ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળી બેટરીઓ, ઇંધણ કોષો, સૌર કોષો, સુપરકેપેસિટર, હાઇડ્રોજન સંગ્રહ પ્રણાલીઓ, વિદ્યુતચુંબકીય કવચો અને ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોના વિકાસ તથા ઉત્પાદનમાં ગ્રાફીનનો વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે. વધુમાં, ગ્રાફીનને અનેક નેનોકોમ્પોઝિટ્સ અને સંયુક્ત સામગ્રીઓમાં મજબૂતાઈ વધારતા ઉમેરણ તરીકે સામેલ કરવામાં આવે છે, દા.ત. પોલિમર્સ, સિરામિક્સ અને ધાતુના મેટ્રિક્સમાં. તેની ઊંચી વાહકતાને કારણે, ગ્રાફીન વાહક રંગો અને શાહીઓનો મહત્વપૂર્ણ ઘટક છે.
ઓછા ખર્ચે મોટા જથ્થામાં ખામીરહિત ગ્રાફીનની ઝડપી અને સલામત અલ્ટ્રાસોનિક તૈયારી વધુ ને વધુ ઉદ્યોગોમાં ગ્રાફીનના ઉપયોગોનું વિસ્તરણ શક્ય બનાવે છે.
ગ્રાફીન કાર્બનનું એક પરમાણુ જેટલી જાડાઈ ધરાવતું સ્તર છે, જેને ગ્રાફીનની એકસ્તરીય અથવા 2D રચના તરીકે વર્ણવી શકાય છે (એકસ્તરીય ગ્રાફીન = SLG). ગ્રાફીન અસાધારણ રીતે મોટું વિશિષ્ટ સપાટી ક્ષેત્રફળ અને શ્રેષ્ઠ યાંત્રિક ગુણધર્મો (1 TPa નો યંગનો મોડ્યુલસ અને 130 GPa ની આંતરિક મજબૂતાઈ) ધરાવે છે, ઉત્તમ ઇલેક્ટ્રોનિક અને ઉષ્મીય વાહકતા, વિદ્યુતભાર વાહકોની ગતિશીલતા અને પારદર્શિતા પ્રદાન કરે છે તથા વાયુઓ માટે અભેદ્ય છે. આ ભૌતિક લક્ષણોને કારણે, સંયુક્ત સામગ્રીઓને તેની મજબૂતાઈ, વાહકતા વગેરે આપવા માટે ગ્રાફીનનો ઉપયોગ મજબૂતાઈ વધારતા ઉમેરણ તરીકે થાય છે. ગ્રાફીનનાં લક્ષણોને અન્ય સામગ્રીઓ સાથે જોડવા માટે, ગ્રાફીનને સંયોજનમાં વિખેરવું જરૂરી છે અથવા તેને આધારસપાટી પર પાતળી ફિલ્મના આવરણ તરીકે લગાવવામાં આવે છે.
ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળું અલ્ટ્રાસોનિક્સ! Hielscher ની ઉત્પાદન શ્રેણી સુઘડ પ્રયોગશાળા અલ્ટ્રાસોનિકેટરથી લઈને બેન્ચ-ટોપ એકમો અને સંપૂર્ણ ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમો સુધીનો સમગ્ર વ્યાપ આવરી લે છે.