Termoelektromos nanoporok ultrahangos őrlése

• A kutatások kimutatták, hogy az ultrahangos őrlés sikeresen alkalmazható termoelektromos nanorészecskék előállítására, és lehetőséget kínál a részecskék felületének módosítására.
• Az ultrahanggal őrölt részecskék (pl. Bi₂Te₃-alapú ötvözet) mérete jelentősen csökkent, és 10µm-nél kisebb nanorészecskék keletkeztek.
• Ezenkívül az ultrahangos kezelés jelentősen megváltoztatja a részecskék felületi morfológiáját, és ezáltal lehetővé teszi a mikro- és nanorészecskék felületének funkcionalizálását.

Termoelektromos nanorészecskék

A termoelektromos anyagok a Seebeck- és Peltier-effektus alapján hőenergiát alakítanak át villamos energiává. Ezáltal lehetővé válik a nehezen hasznosítható vagy szinte teljesen elvesző hőenergia hatékony felhasználása hasznos alkalmazásokban. Mivel a termoelektromos anyagok olyan újszerű alkalmazásokban használhatók, mint a biotermikus akkumulátorok, a szilárdtest-alapú termoelektromos hűtés, az optoelektronikai eszközök, valamint az űrtechnikai és gépjárműipari villamosenergia-termelés, a kutatás és az ipar egyszerű és gyors technikákat keres környezetbarát, gazdaságos és magas hőmérsékleten is stabil termoelektromos nanorészecskék előállítására. Az ultrahangos őrlés és az alulról felfelé építkező szintézis (ultrahangos kristályosítás) két ígéretes út a termoelektromos nanoanyagok gyors tömeggyártásához.

Ultrahangos őrlőberendezések

A bizmut-tellurid (Bi₂Te₃), a magnézium-szilicid (Mg₂Si) és a szilícium (Si) por szemcseméretének csökkentésére a nagy intenzitású UIP1000hdT (1kW, 20kHz) ultrahangos rendszert használták nyitott főzőpoharas elrendezésben. Az amplitúdót minden kísérletben 140µm-re állították be. A mintatartó edényt vízfürdőben hűtik, a hőmérsékletet hőelemmel szabályozzák. Mivel az ultrahangos kezelést nyitott edényben végezték, hűtést alkalmaztak az őrlőfolyadékok (pl. etanol, butanol vagy víz) elpárolgásának megakadályozására.

(a) A kísérleti elrendezés sematikus ábrája. (b) Ultrahangos őrlőberendezés. Forrás: Marquez-Garcia et al. 2015.

A mindössze 4h időtartamú ultrahangos őrlés a Bi₂Te₃-ötvözet esetében már jelentős mennyiségű, 150 és 400 nm közötti méretű nanorészecskét eredményezett. A méret nanométeres tartományba történő csökkentése mellett az ultrahangos kezelés a felületi morfológiát is megváltoztatta. Az alábbi ábra b, c és d jelű SEM-képei azt mutatják, hogy a részecskék ultrahangos őrlés előtti éles szélei az ultrahangos őrlés után simává és lekerekítetté váltak.

A Bi2Te3-alapú ötvözet szemcseméret-eloszlása és SEM-képei ultrahangos őrlés előtt és után. a – Szemcseméret-eloszlás; b – SEM-kép ultrahangos őrlés előtt; c – SEM-kép 4 h időtartamú ultrahangos őrlés után; d – SEM-kép 8 h időtartamú ultrahangos őrlés után.
Forrás: Marquez-Garcia et al. 2015.

Annak megállapítására, hogy a szemcseméret csökkentése és a felület módosítása kizárólag ultrahangos őrléssel érhető-e el, hasonló kísérleteket végeztek nagy energiájú golyósmalommal. Az eredményeket a 3. ábra mutatja. Látható, hogy 48 h időtartamú golyósmalmos őrléssel (az ultrahangos őrlésnél 12-szer hosszabb idő alatt) 200–800 nm méretű részecskéket állítottak elő. A SEM-képek azt mutatják, hogy a Bi₂Te₃-ötvözet részecskéinek éles szélei az őrlés után lényegében változatlanok maradnak. Ezek az eredmények azt jelzik, hogy a sima szélek az ultrahangos őrlés egyedi jellemzői. Az ultrahangos őrléssel elérhető időmegtakarítás is figyelemre méltó (4 h, szemben a golyósmalmos őrlés 48 h időtartamával).

Az Mg2Si szemcseméret-eloszlása és SEM-képei ultrahangos őrlés előtt és után. (a) Szemcseméret-eloszlás; (b) SEM-kép ultrahangos őrlés előtt; (c) SEM-kép 50% PVP–50% EtOH közegben végzett, 2 h időtartamú ultrahangos őrlés után.
Forrás: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) arra a következtetésre jutottak, hogy az ultrahangos őrléssel a Bi₂Te₃ és az Mg₂Si por kisebb, 40 és 400 nm közötti méretű részecskékre aprítható, ami arra utal, hogy ez a technika alkalmas lehet nanorészecskék ipari előállítására. A nagy energiájú golyósmalmos őrléshez képest az ultrahangos őrlésnek két egyedi jellemzője van:

1. 1. olyan szemcseméretbeli rés kialakulása, amely elválasztja az eredeti részecskéket az ultrahangos őrléssel előállított részecskéktől; és
2. 2. az ultrahangos őrlés után jelentős változások figyelhetők meg a felületi morfológiában, ami a részecskék felületének módosítási lehetőségét jelzi.

Következtetés

A keményebb részecskék ultrahangos őrléséhez nyomás alatti ultrahangos kezelés szükséges az intenzív kavitáció létrehozásához. A megnövelt nyomáson végzett ultrahangos kezelés (az úgynevezett manoszonikáció) drasztikusan növeli a nyíróerőket és a részecskékre ható mechanikai feszültséget.
A folyamatos, sorba kapcsolt ultrahangos kezelési elrendezés nagyobb részecsketerhelést tesz lehetővé (pasztaszerű szuszpenzió), ami javítja az őrlési eredményeket, mivel az ultrahangos őrlés a részecskék közötti ütközéseken alapul.
Az elkülönített recirkulációs elrendezésben végzett ultrahangos kezelés lehetővé teszi valamennyi részecske egyenletes kezelésének biztosítását, és ezáltal nagyon szűk szemcseméret-eloszlást eredményez.

Az ultrahangos őrlés egyik fő előnye, hogy a technológia könnyen nagyobb léptékre növelhető nagy mennyiségek előállításához – a kereskedelmi forgalomban kapható, nagy teljesítményű ipari ultrahangos őrlőberendezések akár 10m³/h mennyiséget is képesek feldolgozni.

Az ultrahangos őrlés előnyei

• Gyors, időtakarékos
• Energiatakarékos
• Reprodukálható eredmények
• Nincs őrlőközeg (nincsenek golyók vagy gyöngyök)
• Alacsony beruházási költség

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek

Az ultrahangos őrléshez nagy teljesítményű ultrahangos berendezés szükséges. Az intenzív kavitációs nyíróerők létrehozásához elengedhetetlen a nagy amplitúdó és a nagy nyomás. A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai nagyon nagy amplitúdók előállítására képesek. Akár 200µm amplitúdóval is könnyen működtethetők folyamatosan, 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. A Hielscher nyomás alá helyezhető átfolyó reaktoraival kombinálva nagyon intenzív kavitáció jön létre, így a molekulák közötti kötések felbonthatók, és hatékony őrlési hatás érhető el.
A Hielscher ultrahangos berendezéseinek robusztussága nagy terhelés mellett és nagy igénybevételt jelentő környezetekben is lehetővé teszi a 24/7 üzemet. A digitális vezérlés és a távvezérlés, valamint a beépített SD-kártyára történő automatikus adatrögzítés pontos feldolgozást és reprodukálható minőséget biztosít, továbbá lehetővé teszi a folyamat szabványosítását.

A Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos készülékeinek előnyei

• nagyon nagy amplitúdók
• nagy nyomások
• folyamatos, sorba kapcsolt folyamat
• robusztus berendezések
• lineáris léptéknövelés
• biztonságos és egyszerű üzemeltetés
• könnyen tisztítható