קילוף גרפן על בסיס מים
קילוף אולטרסוני מאפשר לייצר גרפן בעל שכבות מעטות ללא שימוש בממסים אגרסיביים, באמצעות מים טהורים בלבד. סוניקציה בהספק גבוה מפרידה בין שכבות הגרפן בטיפול קצר. ההימנעות מממסים הופכת את קילוף הגרפן לתהליך ירוק ובר קיימא.
ייצור גרפן באמצעות קילוף בפאזה נוזלית
גרפן מיוצר באופן מסחרי באמצעות תהליך המכונה קילוף בפאזה נוזלית. קילוף גרפן בפאזה נוזלית מחייב שימוש בממסים רעילים, מזיקים לסביבה ויקרים, המשמשים לטיפול כימי מקדים או בשילוב עם טכניקת פיזור מכנית. לפיזור מכני של יריעות הגרפן, טיפול אולטרסוני התבסס כטכניקה אמינה ביותר, יעילה ובטוחה לייצור יריעות גרפן באיכות גבוהה בכמויות גדולות בקנה מידה תעשייתי מלא. מכיוון שהשימוש בממסים אגרסיביים כרוך תמיד בעלויות, בזיהום, בתהליכי סילוק ופינוי מורכבים, בחששות בטיחותיים ובעומס סביבתי, לחלופה שאינה רעילה ובטוחה יותר יש יתרון משמעותי. לכן, קילוף גרפן באמצעות מים כממס ואולטרסאונד בהספק גבוה להפרדה מכנית של יריעות גרפן בעלות שכבות מעטות הוא טכניקה מבטיחה ביותר לייצור גרפן ירוק.
ממסים נפוצים המשמשים לעיתים קרובות כפאזה נוזלית לפיזור ננו־יריעות גרפן כוללים דימתיל סולפוקסיד (DMSO), N,N-דימתילפורמאמיד (DMF), N-מתיל-2-פירולידון (NMP), טטרהמתילאוריאה (TMU), טטרהידרופוראן (THF), propylene carbonateacetone (PC), אתנול ופורמאמיד.
כטכניקה מבוססת זה זמן רב לקילוף גרפן בקנה מידה מסחרי, טיפול אולטרסוני מאפשר לייצר גרפן באיכות גבוהה ובטוהר גבוה בעלות נמוכה. מכיוון שניתן להגדיל את קנה המידה של קילוף גרפן אולטרסוני באופן ליניארי לחלוטין לכל נפח, ניתן ליישם בקלות את תפוקת הייצור של פתיתי גרפן באיכות גבוהה לייצור המוני של גרפן.
UIP2000hdT הוא מכשיר פיזור אולטרסוני רב עוצמה בהספק של 2kW לקילוף ולפיזור גרפן.
קילוף אולטרסוני של גרפן במים
Tyurnina ועמיתיה (2020) חקרו את השפעות המשרעת ועוצמת הסוניקציה על תמיסות של מים טהורים וגרפיט ועל קילוף הגרפן הנובע מכך. במחקר נעשה שימוש במכשיר Hielscher UP200S (200W, 24kHz). קילוף אולטרסוני באמצעות מים יושם כתהליך חד־שלבי להפרדת שכבות של גרפן בעל שכבות מעטות. טיפול קצר של 2h הספיק לייצור גרפן בעל שכבות מעטות במערך סוניקציה בכוס מעבדה פתוחה.
רצף תמונות שצולם במהירות גבוהה (מ־a עד f), הממחיש קילוף סונו־מכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200s, מכשיר אולטרסוני בתדר של 24 kHz עם סונוטרודה בקוטר של 3-mm. החצים מציינים את מקום הפיצול (הקילוף), שבו בועות קוויטציה חודרות למרווח שנוצר.
© Tyurnina et al., 2020
אופטימיזציה של קילוף גרפן אולטרסוני
ניתן לבצע בקלות אופטימיזציה של המערך האולטרסוני ששימש את Tyurnina ועמיתיה (2020) כדי להגביר את היעילות ולהאיץ את הקילוף, באמצעות שימוש בכור אולטרסוני סגור במצב זרימה רציפה. טיפול אולטרסוני בקו מאפשר טיפול אולטרסוני אחיד יותר במידה משמעותית בכל חומר הגלם הגרפיטי: הזנת תמיסת הגרפיט / מים ישירות לחלל התחום של הקוויטציה האולטרסונית מביאה לכך שכל הגרפיט עובר סוניקציה באופן אחיד, ומתקבלת תפוקה גבוהה של פתיתי גרפן באיכות גבוהה.
מערכות Hielscher Ultrasonics מאפשרות שליטה מדויקת בכל פרמטרי העיבוד החשובים, כגון משרעת, זמן / זמן שהייה, תשומת אנרגיה (Ws/mL), לחץ וטמפרטורה. קביעת הפרמטרים האולטרסוניים המיטביים מניבה את התפוקה, האיכות והיעילות הכוללת הגבוהות ביותר.
כיצד טיפול אולטרסוני מקדם קילוף גרפן
כאשר גלי אולטרסאונד בהספק גבוה מועברים לתרחיף של אבקת גרפיט ומים או ממס כלשהו, כוחות סונו־מכניים, כגון גזירה חזקה, מערבולות עזות והפרשי לחץ וטמפרטורה גדולים, יוצרים תנאים עתירי אנרגיה. תנאים עתירי אנרגיה אלה הם תוצאה של תופעת הקוויטציה האקוסטית.
קראו כאן עוד על קוויטציה אולטרסונית!
האולטרסאונד בהספק גבוה מתחיל את התפשטות אבקת הגרפיט, מכיוון שנוזלים נדחקים בין שכבות הגרפן שמהן מורכב הגרפיט. כוחות הגזירה האולטרסוניים מפרידים בין יריעות הגרפן הבודדות ומפזרים אותן כפתיתי גרפן בתמיסה. להשגת יציבות ארוכת טווח של גרפן במים, נדרש חומר פעיל שטח.
מנגנון הקילוף האולטרסוני של גרפן בפאזה נוזלית.
המחקר והתמונה מאת Tyurnina ועמיתיה, 2021.
מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לקילוף גרפן
התכונות החכמות של המכשירים האולטרסוניים של Hielscher נועדו להבטיח פעולה אמינה, תוצאות הניתנות לשחזור וידידותיות למשתמש. ניתן לגשת בקלות להגדרות התפעול ולכוונן אותן באמצעות תפריט אינטואיטיבי, הנגיש דרך צג מגע דיגיטלי צבעוני ובאמצעות שליטה מרחוק בדפדפן. בהתאם לכך, כל תנאי העיבוד, כגון אנרגיה נטו, אנרגיה כוללת, משרעת, זמן, לחץ וטמפרטורה, מתועדים אוטומטית בכרטיס SD מובנה. כך ניתן לסקור ולהשוות מחזורי סוניקציה קודמים ולבצע אופטימיזציה של תהליך קילוף הגרפן להשגת היעילות הגבוהה ביותר.
מערכות Hielscher Ultrasonics משמשות ברחבי העולם לייצור יריעות גרפן ותחמוצות גרפן באיכות גבוהה. המכשירים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לפעול בקלות במשרעות גבוהות בפעולה רציפה (24/7/365). ניתן להפיק בקלות וברציפות משרעות של עד 200µm באמצעות סונוטרודות סטנדרטיות (גשושיות / קרניים אולטרסוניות ו־ CascatrodesTM). למשרעות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות בהתאמה אישית. הודות לעמידותן ולדרישות התחזוקה הנמוכות שלהן, מערכות הקילוף האולטרסוניות שלנו מותקנות בדרך כלל ליישומים תובעניים ובסביבות מאתגרות.
מעבדים אולטרסוניים של Hielscher לקילוף גרפן כבר מותקנים ברחבי העולם בקנה מידה מסחרי. צרו איתנו קשר עכשיו כדי לדון בתהליך ייצור הגרפן שלכם! הצוות עתיר הניסיון שלנו ישמח לשתף מידע נוסף על תהליך הקילוף, המערכות האולטרסוניות והמחירים!
למידע נוסף על סינתזה, פיזור ופונקציונליזציה אולטרסוניים של גרפן, לחצו כאן:
| נפח אצווה | ספיקת זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500mL | 10 עד 200mL/min | UP100H |
| 10 עד 2000mL | 20 עד 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 עד 20L | 0.2 עד 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 עד 100L | 2 עד 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 עד 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | גבוהה יותר | אשכול של UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי ערבוב, פיזור, תחלוב ומיצוי בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
ספרות / מקורות
- 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.
עובדות שכדאי לדעת
מהו גרפן?
גרפן הוא שכבה יחידה של אטומי פחמן הקשורים בקשרי sp2. לגרפן מאפייני חומר ייחודיים, כגון שטח פנים סגולי גדול במיוחד (2620 m2 g-1), תכונות מכניות מעולות עם מודול יאנג של 1 TPa וחוזק פנימי של 130 GPa, מוליכות חשמלית גבוהה במיוחד (ניידות אלקטרונים בטמפרטורת החדר של 2.5 × 105 cm2 V-1 s-1), מוליכות תרמית גבוהה מאוד (מעל 3000 W m K-1), ואלה רק התכונות החשובות ביותר. הודות לתכונות החומר המעולות שלו, נעשה בגרפן שימוש נרחב בפיתוח ובייצור של סוללות בעלות ביצועים גבוהים, תאי דלק, תאים סולריים, קבלי־על, מערכות לאגירת מימן, מגנים אלקטרומגנטיים והתקנים אלקטרוניים. נוסף על כך, גרפן משולב בחומרים ננו־מרוכבים ובחומרים מרוכבים רבים כתוסף מחזק, למשל בפולימרים, בקרמיקה ובמטריצות מתכתיות. הודות למוליכותו הגבוהה, גרפן הוא רכיב חשוב בצבעים ובדיו מוליכים.
ההכנה האולטרסונית המהירה והבטוחה של גרפן נטול פגמים בנפחים גדולים ובעלויות נמוכות מאפשרת להרחיב את יישומי הגרפן ליותר ויותר תעשיות.
גרפן הוא שכבת פחמן בעובי אטום אחד, שניתן לתארה כמבנה חד־שכבתי או כמבנה 2D של גרפן (גרפן חד־שכבתי = SLG). לגרפן שטח פנים סגולי גדול במיוחד ותכונות מכניות מעולות (מודול יאנג של 1 TPa וחוזק פנימי של 130 GPa), והוא מציע מוליכות חשמלית ותרמית גבוהה, ניידות נושאי מטען ושקיפות, ואינו חדיר לגזים. הודות למאפייני חומר אלה, גרפן משמש כתוסף מחזק המקנה לחומרים מרוכבים את חוזקו, מוליכותו וכדומה. כדי לשלב את מאפייני הגרפן עם חומרים אחרים, יש לפזר את הגרפן בתוך החומר המרוכב או ליישם אותו כציפוי בשכבה דקה על גבי מצע.
אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים! מגוון המוצרים של Hielscher מכסה את מלוא הטווח, מהמכשיר האולטרסוני המעבדתי הקומפקטי, דרך יחידות שולחניות ועד למערכות אולטרסוניות תעשייתיות מלאות.