פילינג גרפן על בסיס מים
פילינג קולי מאפשר לייצר כמה שכבות גרפן ללא שימוש בממסים קשים באמצעות מים טהורים בלבד. סוניקציה בעוצמה גבוהה מעכבת יריעות גרפן תוך טיפול קצר. הימנעות מממסים הופכת את פילינג הגרפן בתהליך ירוק ובר קיימא.
ייצור גרפן באמצעות פילינג בשלב נוזלי
גרפן מיוצר באופן מסחרי באמצעות מה שנקרא פילינג שלב נוזלי. פילינג פאזה נוזלית של גרפן דורש שימוש בממסים רעילים, מזיקים לסביבה ויקרים, המשמשים כטיפול מקדים כימי או בשילוב עם/עם טכניקת פיזור מכנית. עבור פיזור מכני של יריעות גרפן, ultrasonication הוקמה כטכניקה אמינה, יעילה ובטוחה ביותר לייצר יריעות גרפן באיכות גבוהה בכמויות גדולות ברמה תעשייתית מלאה. מכיוון שהשימוש בממסים קשים מלווה תמיד בעלויות, זיהום, הסרה וסילוק מורכבים, חששות בטיחותיים כמו גם נטל סביבתי, חלופה לא רעילה ובטוחה יותר היא יתרון משמעותי. פילינג גרפן באמצעות מים כממס ואולטרסאונד כוח לדלמינציה מכנית של יריעות גרפן מעטות שכבות הוא אפוא טכניקה מבטיחה ביותר לייצור גרפן ירוק.
ממסים נפוצים, המשמשים לעתים קרובות כפאזות נוזליות לפיזור ננו-יריעות גרפן, כוללים דימתיל סולפוקסיד (DMSO), N,N-דימתילפורממיד (DMF), N-מתיל-2-פירולידון (NMP), טטרמתילאוריאה (TMU), טטרהידרופורן (THF), פרופילן קרבונטאצטון (PC), אתנול ופורממיד.
כטכניקה מבוססת כבר לטווח ארוך עבור פילינג גרפן בקנה מידה מסחרי, ultrasonication מאפשר לייצר גרפן באיכות גבוהה של טוהר גבוה בעלות נמוכה. כמו פילינג גרפן קולי יכול להיות ליניארי לחלוטין בקנה מידה לכל נפח, את תפוקת הייצור של פתיתי גרפן באיכות גבוהה ניתן ליישם בקלות לייצור המוני של גרפן.
UIP2000hdT הוא מפזר קולי רב עוצמה של 2kW לקילוף ופיזור גרפן.
פילינג קולי של גרפן במים
Tyurnina et al. (2020) חקרו את ההשפעות של משרעת ועוצמת סוניקציה על תמיסות גרפיט מים טהורות ופילינג הגרפן המתקבל. במחקר, הם השתמשו Hielscher UP200S (200W, 24kHz). פילינג קולי באמצעות מים יושם כתהליך שלב אחד עבור כמה שכבות גרפן delamination. טיפול קצר של שעתיים הספיק כדי לייצר מעט שכבות גרפן במערך סוניקציה של פתוחה.
רצף מהיר (מ-a עד f) של פריימים הממחישים פילינג סונו-מכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200s, ultrasonicator 24 kHz עם sonotrode 3 מ"מ. חצים מראים את מקום הפיצול (פילינג) עם בועות קוויטציה החודרות לפיצול.
© Tyurnina et al., 2020
אופטימיזציה של פילינג גרפן קולי
ההתקנה העל-קולית המשמשת את Tyurnina et al. (2020) יכולה להיות ממוטבת בקלות ליעילות רבה יותר ולקילוף מהיר יותר באמצעות כור קולי סגור במצב זרימה. טיפול אולטראסוני מוטבע מאפשר טיפול אולטראסוני אחיד יותר באופן משמעותי בכל חומר הגלם גרפיט: הזנת תמיסת הגרפיט / מים ישירות לחלל התחום של קוויטציה קולית, כל הגרפיט הופך לסוני אחיד וכתוצאה מכך יבול גבוה של פתיתי גרפן באיכות גבוהה.
מערכות Hielscher Ultrasonics מאפשרות שליטה מדויקת על כל פרמטרי העיבוד החשובים כגון משרעת, זמן / שימור, קלט אנרגיה (Ws / mL), לחץ וטמפרטורה. הגדרת הפרמטרים האולטרסוניים האופטימליים מביאה לתשואה, איכות ויעילות כוללת גבוהות ביותר.
כיצד אולטרסוניקציה מקדמת פילינג גרפן
כאשר גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מחוברים לתרחיף של אבקת גרפיט ומים או כל ממס אחר, כוחות סונומכניים כגון מערבולות עזות וגזירה גבוהה והפרשי לחץ וטמפרטורה גבוהים יוצרים תנאים עתירי אנרגיה. תנאים עתירי אנרגיה אלה הם תוצאה של תופעת הקוויטציה האקוסטית.
קרא עוד על cavitation קולי כאן!
אולטרסאונד הכוח יוזם את הרחבת אבקת הגרפיט, שכן נוזלים נלחצים בין שכבות הגרפן, מהן מורכב גרפיט. כוחות הגזירה העל-קוליים מפרקים את היריעות הבודדות של הגרפן ומפזרים אותן כפתיתי גרפן בתמיסה. כדי להשיג יציבות ארוכת טווח של גרפן במים, נדרש חומר פעילי שטח.
מכניזם של פילינג שלב נוזלי קולי של פילינג גרפן.
מחקר ותמונה מאת Tyurnina et al., 2021.
אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים לפילינג גרפן
התכונות החכמות של Hielscher ultrasonicators נועדו להבטיח פעולה אמינה, תוצאות לשחזור וידידותיות למשתמש. ניתן לגשת בקלות להגדרות תפעוליות ולחייג אליהן באמצעות תפריט אינטואיטיבי, אליו ניתן לגשת באמצעות תצוגת מגע צבעונית דיגיטלית ושלט רחוק של הדפדפן. לכן, כל תנאי העיבוד כגון אנרגיה נטו, אנרגיה כוללת, משרעת, זמן, לחץ וטמפרטורה נרשמים באופן אוטומטי על כרטיס SD מובנה. זה מאפשר לך לשנות ולהשוות ריצות סוניקציה קודמות ולמטב את תהליך פילינג הגרפן ליעילות הגבוהה ביותר.
מערכות Hielscher Ultrasonics משמשים ברחבי העולם לייצור של יריעות גרפן באיכות גבוהה תחמוצות גרפן. Hielscher תעשייתי ultrasonicators יכול בקלות להפעיל אמפליטודות גבוהות בפעולה מתמשכת (24/7/365). אמפליטודות של עד 200μm ניתן ליצור בקלות ברציפות עם סונוטרודים סטנדרטיים (בדיקות קוליות / קרניים ו קסטרודיםTM). עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. בשל עמידותן ותחזוקתן הנמוכה, מערכות הפילינג העל-קוליות שלנו מותקנות בדרך כלל עבור יישומים כבדים ובסביבות תובעניות.
Hielscher מעבדים קוליים עבור פילינג גרפן כבר מותקנים ברחבי העולם בקנה מידה מסחרי. צרו איתנו קשר עכשיו כדי לדון בתהליך ייצור הגרפן שלכם! הצוות המנוסה שלנו ישמח לחלוק מידע נוסף על תהליך הפילינג, מערכות קוליות ותמחור!
למידע נוסף על סינתזת גרפן קולי, פיזור ופונקציונליזציה, לחץ כאן:
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
צרו קשר! / שאל אותנו!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים לערבוב יישומים, פיזור, תחליב וחילוץ 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 monolayer של sp2- אטומי פחמן מלוכדים. גרפן מציע תכונות חומר ייחודיות כגון שטח פנים סגולי גדול במיוחד (2620 מ '2g-1), תכונות מכניות מעולות עם מודולוס יאנג של 1 TPa וחוזק פנימי של 130 GPa, מוליכות אלקטרונית גבוהה במיוחד (ניידות אלקטרונים בטמפרטורת החדר של 2.5 × 105 ס"מ2 V-1s-1), מוליכות תרמית גבוהה מאוד (מעל 3000 W m K-1), כדי לציין את המאפיינים החשובים ביותר. בשל תכונות החומר המעולות שלו, גרפן נמצא בשימוש רב בפיתוח וייצור של סוללות בעלות ביצועים גבוהים, תאי דלק, תאים סולריים, קבל-על, מחסני מימן, מגנים אלקטרומגנטיים והתקנים אלקטרוניים. יתר על כן, גרפן משולב בננו-מרוכבים רבים ובחומרים מרוכבים כתוסף מחזק, למשל בפולימרים, קרמיקה ומטריצות מתכת. בשל מוליכותו הגבוהה, גרפן הוא מרכיב חשוב בצבעים מוליכים ובדיו.
ההכנה האולטרסונית המהירה והבטוחה של גרפן ללא פגמים בכמויות גדולות ובעלויות נמוכות מאפשרת להרחיב את היישומים של גרפן ליותר ויותר תעשיות.
גרפן הוא שכבה אחת בעובי אטום של פחמן, אשר ניתן לתאר כמבנה חד שכבתי או דו-ממדי של גרפן (שכבה אחת גרפן = SLG). לגרפן שטח פנים סגולי גדול במיוחד ותכונות מכניות מעולות (מודולוס של יאנג של 1 TPa וחוזק פנימי של 130 GPa), מציע מוליכות אלקטרונית ותרמית נהדרת, ניידות נושאת מטען, שקיפות, והוא חדיר לגזים. בשל מאפייני חומר אלה, גרפן משמש כתוסף חיזוק כדי לתת מרוכבים כוח, מוליכות, וכו ' על מנת לשלב את המאפיינים של גרפן עם חומרים אחרים, גרפן חייב להיות מפוזר לתוך התרכובת או מיושם כמו ציפוי סרט דק על מצע.
אולטרסאונד בעל ביצועים גבוהים! מגוון המוצרים של Hielscher מכסה את כל הספקטרום, החל מאולטרסאונד מעבדה קומפקטי מעל יחידות ספסל ועד למערכות אולטרסאונד תעשייתיות מלאות.