Grafenski piling na bazi vode
Ultrazvučni piling omogućuje proizvodnju nekoliko slojeva grafena bez upotrebe jakih otapala koristeći samo čistu vodu. Ultrazvučna obrada velike snage odlojava grafenske ploče unutar kratkog tretmana. Izbjegavanje otapala pretvara grafenski piling u zeleni, održivi proces.
Proizvodnja grafena putem eksfolijacije u tekućoj fazi
Grafen se komercijalno proizvodi takozvanim pilingom tekuće faze. Eksfolijacija grafena u tekućoj fazi zahtijeva upotrebu toksičnih, ekološki štetnih i skupih otapala, koja se koriste kao kemijski predtretman ili u kombinaciji s/s tehnikom mehaničke disperzije. Za mehaničku disperziju grafenskih ploča, ultrazvučna obrada je uspostavljena kao vrlo pouzdana, učinkovita i sigurna tehnika za proizvodnju visokokvalitetnih grafenskih ploča u velikim količinama na potpuno industrijskoj razini. Budući da je uporaba jakih otapala uvijek popraćena troškovima, kontaminacijom, složenim uklanjanjem i odlaganjem, sigurnosnim problemima kao i opterećenjem za okoliš, netoksična i sigurnija alternativa ima značajnu prednost. Eksfolijacija grafena korištenjem vode kao otapala i snažnog ultrazvuka za mehaničku delaminaciju nekoliko slojeva grafenskih listova stoga je vrlo obećavajuća tehnika za proizvodnju zelenog grafena.
Uobičajena otapala, koja se često koriste kao tekuća faza za disperziju grafenskih nanoploča, uključuju dimetil sulfoksid (DMSO), N,N-dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilureu (TMU), tetrahidrofuran (THF) ), propilen karbonataceton (PC), etanol i formamid.
Kao već dugotrajna tehnika za eksfolijaciju grafena u komercijalnim razmjerima, ultrazvučna obrada omogućuje proizvodnju visokokvalitetnog grafena visoke čistoće po niskoj cijeni. Budući da se ultrazvučni piling grafena može potpuno linearno skalirati na bilo koji volumen, proizvodni prinos visokokvalitetnih grafenskih pahuljica može se lako implementirati za masovnu proizvodnju grafena.
UIP2000hdT je snažan ultrazvučni raspršivač snage 2kW za eksfolijaciju i disperziju grafena.
Ultrazvučno ljuštenje grafena u vodi
Tyurnina i sur. (2020.) istraživali su učinke amplitude i intenziteta sonikacije na otopine čistog vodenog grafita i rezultirajuće eksfolijacije grafena. U istraživanju su koristili Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultrazvučni piling korištenjem vode primijenjen je kao proces u jednom koraku za nekoliko slojeva delaminacije grafena. Kratka obrada od 2 sata bila je dovoljna za proizvodnju nekoliko slojeva grafena u postavci sonikacije s otvorenom čašom.
Slijed velike brzine (od a do f) okvira koji ilustriraju sono-mehaničko ljuštenje grafitne pahuljice u vodi koristeći UP200s, ultrazvučni uređaj od 24 kHz sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto rascjepa (eksfolijacije) s kavitacijskim mjehurićima koji prodiru kroz rascjep.
© Tyurnina i sur., 2020
Optimizacija ultrazvučnog grafenskog pilinga
Ultrazvučna postavka koju su koristili Tyurnina et al. (2020) može se lako optimizirati za veću učinkovitost i brži piling korištenjem zatvorenog ultrazvučnog reaktora u protočnom načinu rada. Ultrazvučna linijska obrada omogućuje znatno ujednačeniju ultrazvučnu obradu svih grafitnih sirovina: dovođenje otopine grafita/vode izravno u ograničeni prostor ultrazvučne kavitacije, sav grafit postaje jednoliko soniciran što rezultira visokim prinosom visokokvalitetnih grafenskih pahuljica.
Hielscher Ultrasonics sustavi omogućuju preciznu kontrolu nad svim važnim parametrima obrade kao što su amplituda, vrijeme / zadržavanje, unos energije (Ws/mL), tlak i temperatura. Postavljanje optimalnih ultrazvučnih parametara rezultira najvećim prinosom, kvalitetom i ukupnom učinkovitošću.
Kako ultrazvučna obrada pospješuje eksfolijaciju grafena
Kada se ultrazvučni valovi velike snage spoje u smjesu grafitnog praha i vode ili bilo kojeg otapala, sonomehaničke sile kao što su visoko smicanje, intenzivne turbulencije i visoki tlak i temperaturne razlike stvaraju uvjete intenzivne energije. Ovi energetski intenzivni uvjeti rezultat su fenomena akustične kavitacije.
Više o ultrazvučnoj kavitaciji pročitajte ovdje!
Snažni ultrazvuk inicira širenje grafitnog praha, budući da se između slojeva grafena utiskuju tekućine od kojih se grafit sastoji. Ultrazvučne sile smicanja odlojavaju pojedinačne listove grafena i raspršuju ih kao grafenske pahuljice u otopini. Da bi se postigla dugoročna stabilnost grafena u vodi, potrebna je površinski aktivna tvar.
Mehanizam ultrazvučne eksfolijacije tekuće faze grafena.
Studija i slika Tyurnina et al., 2021.
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za eksfolijaciju grafena
Pametne značajke Hielscher ultrazvučnih uređaja dizajnirane su da jamče pouzdan rad, ponovljive rezultate i jednostavnost korištenja. Operativnim postavkama može se jednostavno pristupiti i birati putem intuitivnog izbornika, kojem se može pristupiti putem digitalnog zaslona u boji osjetljivog na dodir i daljinskog upravljača preglednika. Stoga se svi uvjeti obrade kao što su neto energija, ukupna energija, amplituda, vrijeme, tlak i temperatura automatski bilježe na ugrađenu SD karticu. To vam omogućuje reviziju i usporedbu prethodnih sonikacijskih postupaka i optimizaciju procesa eksfolijacije grafena na najveću učinkovitost.
Hielscher Ultrasonics sustavi koriste se diljem svijeta za proizvodnju visokokvalitetnih grafenskih ploča i grafenskih oksida. Hielscher industrijski ultrasonicators može lako pokrenuti visoke amplitude u kontinuiranom radu (24/7/365). Amplitude do 200 µm mogu se lako kontinuirano generirati sa standardnim sonotrodama (ultrazvučne sonde / rogovi i kaskatrodeTM). Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Zbog svoje robusnosti i malog održavanja, naši ultrazvučni sustavi za piling obično se postavljaju za teške primjene iu zahtjevnim okruženjima.
Hielscher ultrazvučni procesori za eksfolijaciju grafena već su instalirani širom svijeta u komercijalnoj mjeri. Kontaktirajte nas sada kako bismo razgovarali o vašem procesu proizvodnje grafena! Naše iskusno osoblje rado će podijeliti više informacija o procesu pilinga, ultrazvučnim sustavima i cijenama!
Da biste saznali više o ultrazvučnoj sintezi grafena, disperziji i funkcionalizaciji, kliknite ovdje:
- Proizvodnja grafena
- Grafenske nanopločice
- Grafenski piling na bazi vode
- grafen koji se može raspršiti u vodi
- grafen oksid
- kseni
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Literatura / Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Što je grafen?
Grafen je monosloj sp2-vezani atomi ugljika. Grafen nudi jedinstvene karakteristike materijala kao što je izvanredno velika specifična površina (2620 m2g-1), vrhunska mehanička svojstva s Youngovim modulom od 1 TPa i intrinzičkom čvrstoćom od 130 GPa, izuzetno visokom elektronskom vodljivošću (pokretljivost elektrona na sobnoj temperaturi od 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), vrlo visoka toplinska vodljivost (iznad 3000 W m K-1), da imenujemo najvažnija svojstva. Zbog svojih vrhunskih svojstava materijala, grafen se intenzivno koristi u razvoju i proizvodnji baterija visokih performansi, gorivih ćelija, solarnih ćelija, superkondenzatora, spremnika vodika, elektromagnetskih štitova i elektroničkih uređaja. Nadalje, grafen je ugrađen u mnoge nanokompozite i kompozitne materijale kao aditiv za pojačanje, npr. u polimerima, keramici i metalnim matricama. Zbog svoje visoke vodljivosti, grafen je važna komponenta vodljivih boja i tinti.
Brza i sigurna ultrazvučna priprema grafena bez nedostataka u velikim količinama uz niske troškove omogućuje širenje primjene grafena na sve više industrija.
Grafen je sloj ugljika debljine jednog atoma, koji se može opisati kao jednoslojna ili 2D struktura grafena (single layer graphene = SLG). Grafen ima izvanredno veliku specifičnu površinu i vrhunska mehanička svojstva (Youngov modul od 1 TPa i intrinzičnu čvrstoću od 130 GPa), nudi veliku elektronsku i toplinsku vodljivost, pokretljivost nositelja naboja, prozirnost i nepropustan je za plinove. Zbog ovih karakteristika materijala, grafen se koristi kao aditiv za pojačanje kako bi se kompozitima dala njegova čvrstoća, vodljivost itd. Kako bi se karakteristike grafena kombinirale s drugim materijalima, grafen se mora dispergirati u spoju ili se nanosi kao tankoslojni premaz na podlogu.
Ultrazvuk visokih performansi! Hielscherov asortiman proizvoda pokriva cijeli spektar od kompaktnog laboratorijskog ultrazvučnog uređaja preko stolnih jedinica do potpuno industrijskih ultrazvučnih sustava.