Vízalapú grafénréteg-leválasztás
Az ultrahangos rétegleválasztás lehetővé teszi a néhány rétegű grafén előállítását agresszív oldószerek használata nélkül, kizárólag tiszta vízzel. A nagy teljesítményű ultrahangos kezelés rövid idő alatt szétválasztja a grafénlemezeket. Az oldószerek mellőzése környezetbarát, fenntartható folyamattá teszi a grafén rétegleválasztását.
Grafén előállítása folyadékfázisú rétegleválasztással
A grafént kereskedelmi célra úgynevezett folyadékfázisú rétegleválasztással állítják elő. A grafén folyadékfázisú rétegleválasztása mérgező, környezetkárosító és drága oldószerek használatát igényli, amelyeket kémiai előkezelésként vagy mechanikai diszpergálási technikával együtt alkalmaznak. A grafénlemezek mechanikai diszpergálására az ultrahangos kezelés rendkívül megbízható, hatékony és biztonságos technikaként honosodott meg, amellyel kiváló minőségű grafénlemezek állíthatók elő nagy mennyiségben, teljes ipari léptékben. Mivel az agresszív oldószerek használata mindig költségekkel, szennyeződéssel, bonyolult eltávolítással és ártalmatlanítással, biztonsági aggályokkal, valamint környezeti terheléssel jár, egy nem mérgező és biztonságosabb alternatíva jelentős előnyöket kínál. Ezért a grafén rétegleválasztása víz mint oldószer, valamint nagy teljesítményű ultrahang alkalmazásával a néhány rétegű grafénlemezek mechanikai szétválasztására rendkívül ígéretes technika a környezetbarát graféngyártáshoz.
A grafén nanolemezeinek diszpergálásához folyadékfázisként gyakran használt oldószerek közé tartozik a dimetil-szulfoxid (DMSO), az N,N-dimetil-formamid (DMF), az N-metil-2-pirrolidon (NMP), a tetrametil-karbamid (TMU), a tetrahidrofurán (THF), a propylene carbonateacetone (PC), az etanol és a formamid.
Az ultrahangos kezelés a grafén kereskedelmi léptékű rétegleválasztásának már régóta bevált technikájaként lehetővé teszi kiváló minőségű, nagy tisztaságú grafén előállítását alacsony költséggel. Mivel az ultrahangos grafénréteg-leválasztás teljesen lineárisan méretezhető bármilyen térfogatra, a kiváló minőségű grafénpelyhek előállításakor elért kihozatal könnyen átültethető a grafén tömeggyártásába.
Az UIP2000hdT egy nagy teljesítményű, 2kW-os ultrahangos diszpergáló a grafén rétegleválasztásához és diszpergálásához.
Grafén ultrahangos rétegleválasztása vízben
Tyurnina és munkatársai (2020) az amplitúdó és az ultrahangos kezelés intenzitásának hatását vizsgálták tiszta víz–grafit oldatokra és az így létrejövő grafénréteg-leválasztásra. A vizsgálatban egy Hielscher UP200S (200W, 24kHz) készüléket használtak. A vízzel végzett ultrahangos rétegleválasztást egylépéses eljárásként alkalmazták a néhány rétegű grafén szétválasztására. Egy rövid, 2h időtartamú kezelés elegendő volt néhány rétegű grafén előállításához egy nyitott főzőpoharas ultrahangos kezelési elrendezésben.
Nagy sebességgel rögzített képkockasorozat (a-tól f-ig), amely egy grafitpehely vízben történő szonomechanikai rétegleválasztását szemlélteti az UP200s, egy 24 kHz-es, 3-mm-es szonotródával felszerelt ultrahangos készülék használatával. A nyilak a szétválás (rétegleválasztás) helyét mutatják, ahol kavitációs buborékok hatolnak be a résbe.
© Tyurnina et al., 2020
Az ultrahangos grafénréteg-leválasztás optimalizálása
A Tyurnina és munkatársai (2020) által használt ultrahangos elrendezés könnyen optimalizálható nagyobb hatékonyság és gyorsabb rétegleválasztás elérésére egy átfolyó üzemmódban működő, zárt ultrahangos reaktor használatával. A folyamatba épített ultrahangos kezelés lehetővé teszi az összes grafit-alapanyag lényegesen egyenletesebb ultrahangos kezelését: a grafit / víz oldat közvetlenül az ultrahangos kavitáció zárt terébe történő betáplálásával az összes grafit egyenletes ultrahangos kezelésben részesül, ami kiváló minőségű grafénpelyhek nagy kihozatalát eredményezi.
A Hielscher Ultrasonics rendszerei lehetővé teszik az összes fontos feldolgozási paraméter, például az amplitúdó, az idő / tartózkodási idő, az energiabevitel (Ws/mL), a nyomás és a hőmérséklet pontos szabályozását. Az optimális ultrahangos paraméterek beállítása a legnagyobb kihozatalt, a legjobb minőséget és a legnagyobb összhatékonyságot eredményezi.
Hogyan segíti elő az ultrahangos kezelés a grafén rétegleválasztását
Amikor nagy teljesítményű ultrahanghullámokat csatolnak be grafitpor és víz vagy bármilyen oldószer szuszpenziójába, a szonomechanikai erők, például a nagy nyíróerők, az intenzív turbulencia, valamint a nagy nyomás- és hőmérséklet-különbségek energiában gazdag körülményeket teremtenek. Ezek az energiában gazdag körülmények az akusztikus kavitáció jelenségének eredményei.
Itt olvashat többet az ultrahangos kavitációról!
A nagy teljesítményű ultrahang elindítja a grafitpor tágulását, mivel folyadék préselődik a grafitot alkotó grafénrétegek közé. Az ultrahangos nyíróerők szétválasztják az egyes grafénlemezeket, és grafénpelyhekként diszpergálják őket az oldatban. A grafén vízben való hosszú távú stabilitásának eléréséhez felületaktív anyagra van szükség.
A grafén ultrahangos folyadékfázisú rétegleválasztásának mechanizmusa.
A tanulmány és a kép szerzői: Tyurnina és munkatársai, 2021.
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek a grafén rétegleválasztásához
A Hielscher ultrahangos készülékeinek intelligens funkcióit úgy tervezték, hogy megbízható működést, reprodukálható eredményeket és felhasználóbarát kezelést biztosítsanak. Az üzemi beállítások könnyen elérhetők és módosíthatók egy intuitív menüben, amely digitális színes érintőkijelzőn és böngészőből történő távvezérléssel érhető el. Így minden feldolgozási körülmény, például a nettó energia, az összenergia, az amplitúdó, az idő, a nyomás és a hőmérséklet automatikusan rögzítésre kerül egy beépített SD-kártyán. Ez lehetővé teszi a korábbi ultrahangos kezelések áttekintését és összehasonlítását, valamint a grafénréteg-leválasztási folyamat optimalizálását a legnagyobb hatékonyság elérésére.
A Hielscher Ultrasonics rendszereit világszerte használják kiváló minőségű grafénlemezek és grafén-oxidok gyártására. A Hielscher ipari ultrahangos készülékei könnyen működtethetők nagy amplitúdóval folyamatos üzemben (24/7/365). Akár 200µm-es amplitúdó is könnyen, folyamatosan előállítható szabványos szonotródákkal (ultrahangos szondákkal / kürtökkel és CascatrodesTM szonotródákkal). Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi kialakítású ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. Robusztus felépítésük és alacsony karbantartási igényük miatt ultrahangos rétegleválasztó rendszereinket gyakran telepítik nagy igénybevétellel járó alkalmazásokhoz és megterhelő környezetekbe.
A Hielscher grafénréteg-leválasztásra szolgáló ultrahangos feldolgozóberendezései már világszerte működnek kereskedelmi léptékben. Vegye fel velünk a kapcsolatot most, hogy megbeszélhessük graféngyártási folyamatát! Tapasztalt munkatársaink örömmel adnak további tájékoztatást a rétegleválasztási folyamatról, az ultrahangos rendszerekről és az árakról!
Az ultrahangos grafénszintézissel, diszpergálással és funkcionalizálással kapcsolatos további információkért kattintson ide:
- Grafén előállítása
- Grafén nanolemezkék
- Vízalapú grafénréteg-leválasztás
- Vízben diszpergálható grafén
- Grafén-oxid
- Xének
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | készülékcsoport ebből a típusból: UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszpergáláshoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari léptékben.
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.
Hasznos tudnivalók
Mi a grafén?
A grafén egyetlen rétegben elhelyezkedő sp2-kötésű szénatomokból áll. A grafén egyedülálló anyagtulajdonságokat kínál, például rendkívül nagy fajlagos felületet (2620 m2 g-1), kiváló mechanikai tulajdonságokat, 1 TPa Young-modulussal és 130 GPa belső szilárdsággal, rendkívül nagy elektromos vezetőképességet (szobahőmérsékleten az elektronmobilitás 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), igen nagy hővezető képességet (3000 W m K-1 felett), hogy csak a legfontosabb tulajdonságokat említsük. Kiváló anyagtulajdonságai miatt a grafént széles körben használják nagy teljesítményű akkumulátorok, üzemanyagcellák, napelemek, szuperkondenzátorok, hidrogéntárolók, elektromágneses árnyékolók és elektronikus eszközök fejlesztésében és gyártásában. Ezenkívül a grafént számos nanokompozitba és kompozit anyagba építik be erősítő adalékként, például polimerekbe, kerámiákba és fémmátrixokba. Nagy vezetőképessége miatt a grafén a vezetőképes festékek és tinták fontos alkotóeleme.
A hibamentes grafén gyors és biztonságos ultrahangos előállítása nagy mennyiségben, alacsony költséggel lehetővé teszi a grafén alkalmazási körének kiterjesztését egyre több iparágra.
A grafén egy atom vastagságú szénréteg, amely egyrétegű vagy 2D grafénszerkezetként írható le (egyrétegű grafén = SLG). A grafén rendkívül nagy fajlagos felülettel és kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkezik (1 TPa Young-modulus és 130 GPa belső szilárdság), kiemelkedő elektromos és hővezető képességet, töltéshordozó-mobilitást és átlátszóságot biztosít, továbbá a gázok számára átjárhatatlan. Ezen anyagtulajdonságok miatt a grafént erősítő adalékként használják, hogy szilárdságát, vezetőképességét stb. átadja a kompozitoknak. A grafén tulajdonságainak más anyagokéval való kombinálásához a grafént diszpergálni kell az anyagkeverékben, vagy vékonyréteg-bevonatként kell felvinni egy hordozóra.
Nagy teljesítményű ultrahangtechnika! A Hielscher termékkínálata a teljes spektrumot lefedi a kompakt laboratóriumi ultrahangos készülékektől az asztali egységeken át a teljes ipari léptékű ultrahangos rendszerekig.