Eksfolijacija grafena u vodi
Ultrazvučna eksfolijacija omogućuje proizvodnju grafena s nekoliko slojeva bez upotrebe agresivnih otapala, uz upotrebu isključivo čiste vode. Sonikacija velike snage raslojava listove grafena tijekom kratke obrade. Izbjegavanje otapala čini eksfolijaciju grafena ekološkim i održivim postupkom.
Proizvodnja grafena eksfolijacijom u tekućoj fazi
Grafen se komercijalno proizvodi takozvanom eksfolijacijom u tekućoj fazi. Eksfolijacija grafena u tekućoj fazi zahtijeva upotrebu toksičnih, za okoliš štetnih i skupih otapala koja se upotrebljavaju za kemijsku predobradu ili u kombinaciji s tehnikom mehaničkog dispergiranja. Za mehaničko dispergiranje listova grafena ultrazvučna se obrada etablirala kao vrlo pouzdana, učinkovita i sigurna tehnika za proizvodnju visokokvalitetnih listova grafena u velikim količinama na potpuno industrijskoj razini. Budući da upotrebu agresivnih otapala uvijek prate troškovi, kontaminacija, složeno uklanjanje i zbrinjavanje, sigurnosni problemi te opterećenje okoliša, netoksična i sigurnija alternativa donosi znatne prednosti. Eksfolijacija grafena uz upotrebu vode kao otapala i ultrazvuka velike snage za mehaničko raslojavanje listova grafena s nekoliko slojeva stoga je vrlo obećavajuća tehnika za ekološku proizvodnju grafena.
Uobičajena otapala koja se često upotrebljavaju kao tekuća faza za dispergiranje nanolistova grafena uključuju dimetil-sulfoksid (DMSO), N,N-dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilureu (TMU), tetrahidrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), etanol i formamid.
Kao već dugo etablirana tehnika za eksfolijaciju grafena na komercijalnoj razini, ultrazvučna obrada omogućuje proizvodnju visokokvalitetnog grafena visoke čistoće uz niske troškove. Budući da se ultrazvučna eksfolijacija grafena može potpuno linearno skalirati na bilo koji volumen, dobivanje visokog prinosa visokokvalitetnih pahuljica grafena može se jednostavno primijeniti u masovnoj proizvodnji grafena.
UIP2000hdT je snažan ultrazvučni dispergator snage 2kW za eksfolijaciju i dispergiranje grafena.
Ultrazvučna eksfolijacija grafena u vodi
Tyurnina i sur. (2020) istraživali su učinke amplitude i intenziteta sonikacije na otopine čiste vode i grafita te posljedičnu eksfolijaciju grafena. U istraživanju su upotrebljavali Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultrazvučna eksfolijacija uz upotrebu vode primijenjena je kao postupak u jednom koraku za raslojavanje grafena s nekoliko slojeva. Kratka obrada od 2h bila je dovoljna za proizvodnju grafena s nekoliko slojeva u sustavu za sonikaciju s otvorenom laboratorijskom čašom.
Slijed snimaka načinjenih velikom brzinom (od a do f) koji prikazuje sonomehaničku eksfolijaciju pahuljice grafita u vodi uz upotrebu uređaja UP200s, ultrazvučnog uređaja frekvencije 24 kHz sa sonotrodom promjera 3 mm. Strelice pokazuju mjesto razdvajanja (eksfolijacije), pri čemu kavitacijski mjehurići prodiru u nastali procjep.
© Tyurnina et al., 2020
Optimizacija ultrazvučne eksfolijacije grafena
Ultrazvučni sustav kojim su se koristili Tyurnina i sur. (2020) može se jednostavno optimizirati za veću učinkovitost i bržu eksfolijaciju upotrebom zatvorenog ultrazvučnog reaktora u protočnom načinu rada. Ultrazvučna obrada u liniji omogućuje znatno ujednačeniju ultrazvučnu obradu cjelokupne grafitne sirovine: dovođenjem otopine grafita i vode izravno u ograničeni prostor ultrazvučne kavitacije sav se grafit ujednačeno sonificira, što rezultira visokim prinosom visokokvalitetnih pahuljica grafena.
Sustavi Hielscher Ultrasonics omogućuju preciznu kontrolu svih važnih parametara obrade, kao što su amplituda, vrijeme / vrijeme zadržavanja, unos energije (Ws/mL), tlak i temperatura. Postavljanje optimalnih ultrazvučnih parametara rezultira najvišim prinosom, kvalitetom i ukupnom učinkovitošću.
Kako ultrazvučna obrada potiče eksfolijaciju grafena
Kada se ultrazvučni valovi velike snage uvode u suspenziju grafitnog praha i vode ili bilo kojeg otapala, sonomehaničke sile, poput snažnog smicanja, intenzivne turbulencije te velikih razlika u tlaku i temperaturi, stvaraju uvjete visokog intenziteta energije. Ti uvjeti visokog intenziteta energije rezultat su pojave akustične kavitacije.
Ovdje pročitajte više o ultrazvučnoj kavitaciji!
Ultrazvuk velike snage pokreće širenje grafitnog praha jer se fluidi utiskuju između slojeva grafena od kojih se grafit sastoji. Ultrazvučne smične sile odvajaju pojedinačne listove grafena i dispergiraju ih u otopini u obliku pahuljica grafena. Za postizanje dugoročne stabilnosti grafena u vodi potrebna je površinski aktivna tvar.
Mehanizam ultrazvučne eksfolijacije grafena u tekućoj fazi.
Istraživanje i slika: Tyurnina i sur., 2021.
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za eksfolijaciju grafena
Pametne značajke ultrazvučnih uređaja Hielscher osmišljene su kako bi jamčile pouzdan rad, ponovljive rezultate i jednostavnu upotrebu. Radnim postavkama može se jednostavno pristupiti i podesiti ih putem intuitivnog izbornika, kojemu se pristupa putem digitalnog zaslona u boji osjetljivog na dodir i daljinskog upravljanja putem 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 pregled i usporedbu prethodnih postupaka sonikacije te optimizaciju postupka eksfolijacije grafena radi postizanja najviše učinkovitosti.
Sustavi Hielscher Ultrasonics upotrebljavaju se diljem svijeta za proizvodnju visokokvalitetnih listova grafena i grafenovih oksida. Industrijski ultrazvučni uređaji Hielscher mogu jednostavno raditi pri visokim amplitudama u kontinuiranom radu (24/7/365). Amplitude do 200µm mogu se jednostavno kontinuirano generirati standardnim sonotrodama (ultrazvučne sonde / rogovi i CascatrodesTM). Za još više amplitude dostupne su ultrazvučne sonotrode izrađene po mjeri. Zahvaljujući robusnosti i malim zahtjevima za održavanje, naši sustavi za ultrazvučnu eksfolijaciju često se ugrađuju za zahtjevne primjene i u zahtjevnim okruženjima.
Ultrazvučni procesori Hielscher za eksfolijaciju grafena već su ugrađeni diljem svijeta na komercijalnoj razini. Obratite nam se sada kako bismo razgovarali o vašem postupku proizvodnje grafena! Naše iskusno osoblje rado će s vama podijeliti dodatne informacije o postupku eksfolijacije, ultrazvučnim sustavima i cijenama!
Kako biste saznali više o ultrazvučnoj sintezi, dispergiranju i funkcionalizaciji grafena, kliknite ovdje:
- Proizvodnja grafena
- Grafenske nanopločice
- Eksfolijacija grafena u vodi
- Grafen koji se može dispergirati u vodi
- Grafenov oksid
- Xenes
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije na laboratorijskoj, pilotnoj i industrijskoj razini.
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 ugljikovih atoma povezanih sp2-vezama. Grafen ima jedinstvena svojstva materijala, kao što su iznimno velika specifična površina (2620 m2 g-1), superiorna mehanička svojstva s Youngovim modulom od 1 TPa i intrinzičnom čvrstoćom od 130 GPa, iznimno visoka električna vodljivost (pokretljivost elektrona pri sobnoj temperaturi od 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), vrlo visoka toplinska vodljivost (iznad 3000 W m K-1), da navedemo najvažnija svojstva. Zbog svojih superiornih svojstava materijala grafen se uvelike upotrebljava u razvoju i proizvodnji baterija visokih performansi, gorivnih članaka, solarnih ćelija, superkondenzatora, spremnika vodika, elektromagnetskih štitova i elektroničkih uređaja. Nadalje, grafen se ugrađuje u mnoge nanokompozite i kompozitne materijale kao dodatak za ojačavanje, primjerice u polimere, keramiku i metalne matrice. Zbog svoje visoke vodljivosti grafen je važna sastavnica vodljivih boja i tinti.
Brza i sigurna ultrazvučna priprema grafena bez defekata 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 (jednoslojni grafen = SLG). Grafen ima iznimno veliku specifičnu površinu i superiorna mehanička svojstva (Youngov modul od 1 TPa i intrinzična čvrstoća od 130 GPa), pruža izvrsnu električnu i toplinsku vodljivost, pokretljivost nositelja naboja i prozirnost te je nepropustan za plinove. Zbog tih svojstava materijala grafen se upotrebljava kao dodatak za ojačavanje kako bi kompozitima dao svoju čvrstoću, vodljivost itd. Kako bi se svojstva grafena kombinirala s drugim materijalima, grafen se mora dispergirati u smjesi ili se nanosi kao tankoslojna prevlaka na podlogu.
Ultrazvuk visokih performansi! Asortiman proizvoda Hielscher obuhvaća cijeli raspon, od kompaktnog laboratorijskog ultrazvučnog uređaja preko stolnih jedinica do potpuno industrijskih ultrazvučnih sustava.