Գրաֆենի շերտազատում ջրային միջավայրում
Ուլտրաձայնային շերտազատումը թույլ է տալիս ստանալ սակավաշերտ գրաֆեն՝ առանց ագրեսիվ լուծիչների օգտագործման, միայն մաքուր ջրով։ Բարձր հզորության ուլտրաձայնային մշակումը կարճ ժամանակում տարանջատում է գրաֆենի թերթերը։ Լուծիչներից հրաժարվելը գրաֆենի շերտազատումը դարձնում է էկոլոգիական և կայուն գործընթաց։
Գրաֆենի արտադրություն հեղուկ փուլում շերտազատման միջոցով
Գրաֆենը առևտրային մասշտաբով արտադրվում է այսպես կոչված հեղուկ փուլում շերտազատման միջոցով։ Հեղուկ փուլում գրաֆենի շերտազատումը պահանջում է թունավոր, շրջակա միջավայրի համար վնասակար և թանկարժեք լուծիչների օգտագործում՝ որպես քիմիական նախամշակում կամ մեխանիկական դիսպերգման մեթոդի հետ համակցված։ Գրաֆենի թերթերի մեխանիկական դիսպերգման համար ուլտրաձայնային մշակումը հաստատվել է որպես խիստ հուսալի, արդյունավետ և անվտանգ մեթոդ, որը թույլ է տալիս լիարժեք արդյունաբերական մակարդակով մեծ քանակությամբ բարձրորակ գրաֆենի թերթեր արտադրել։ Քանի որ ագրեսիվ լուծիչների օգտագործումը միշտ ուղեկցվում է ծախսերով, աղտոտմամբ, հեռացման և օգտահանման բարդությամբ, անվտանգության խնդիրներով, ինչպես նաև շրջակա միջավայրի վրա բեռով, ոչ թունավոր և ավելի անվտանգ այլընտրանքը զգալի առավելություն է տալիս։ Ուստի գրաֆենի շերտազատումը՝ ջուրը որպես լուծիչ և հզոր ուլտրաձայնը սակավաշերտ գրաֆենի թերթերի մեխանիկական տարանջատման համար օգտագործելով, խիստ խոստումնալից մեթոդ է գրաֆենի էկոլոգիական արտադրության համար։
Տարածված լուծիչները, որոնք հաճախ օգտագործվում են որպես հեղուկ փուլ՝ գրաֆենի նանոթերթերը դիսպերգելու համար, ներառում են դիմեթիլսուլֆօքսիդը (DMSO), N,N-դիմեթիլֆորմամիդը (DMF), N-մեթիլ-2-պիրոլիդոնը (NMP), տետրամեթիլմիզանյութը (TMU), տետրահիդրոֆուրանը (THF), պրոպիլեն կարբոնատացետոնը (PC), էթանոլը և ֆորմամիդը։
Որպես առևտրային մասշտաբով գրաֆենի շերտազատման վաղուց հաստատված մեթոդ՝ ուլտրաձայնային մշակումը թույլ է տալիս ցածր ծախսերով արտադրել բարձր մաքրության բարձրորակ գրաֆեն։ Քանի որ գրաֆենի ուլտրաձայնային շերտազատման մասշտաբը հնարավոր է լիովին գծային կերպով մեծացնել մինչև ցանկացած ծավալ, բարձրորակ գրաֆենի փաթիլների արտադրական ելքը կարելի է հեշտությամբ ապահովել գրաֆենի զանգվածային արտադրության մեջ։
UIP2000hdT հզոր ուլտրաձայնային դիսպերգատորն ունի 2kW հզորություն և նախատեսված է գրաֆենի շերտազատման և դիսպերգման համար։
Գրաֆենի ուլտրաձայնային շերտազատում ջրում
Tyurnina և համահեղինակները (2020) ուսումնասիրել են ամպլիտուդի և ուլտրաձայնային մշակման ինտենսիվության ազդեցությունը մաքուր ջուր–գրաֆիտ լուծույթների և դրանցում տեղի ունեցող գրաֆենի շերտազատման վրա։ Հետազոտության ընթացքում նրանք օգտագործել են Hielscher UP200S (200W, 24kHz) սարքը։ Ջրով ուլտրաձայնային շերտազատումը կիրառվել է որպես մեկ փուլից բաղկացած գործընթաց՝ սակավաշերտ գրաֆենի տարանջատման համար։ Բաց բաժակով ուլտրաձայնային մշակման կայանքում 2h տևողությամբ կարճ մշակումը բավարար էր սակավաշերտ գրաֆեն ստանալու համար։
Բարձր արագությամբ նկարահանված կադրերի հաջորդականություն (a-ից f), որը ցույց է տալիս գրաֆիտի փաթիլի ուլտրաձայնամեխանիկական շերտազատումը ջրում՝ օգտագործելով UP200s ուլտրաձայնային սարքը՝ 24 kHz հաճախականությամբ և 3-mm սոնոտրոդով։ Սլաքները ցույց են տալիս ճեղքման (շերտազատման) տեղը՝ ճեղքի մեջ ներթափանցող կավիտացիոն պղպջակներով։
© Tyurnina և համահեղինակներ, 2020
Գրաֆենի ուլտրաձայնային շերտազատման օպտիմալացում
Tyurnina և համահեղինակների (2020) օգտագործած ուլտրաձայնային կայանքը կարելի է հեշտությամբ օպտիմալացնել՝ ավելի բարձր արդյունավետություն և ավելի արագ շերտազատում ապահովելու համար՝ օգտագործելով հոսքային ռեժիմով աշխատող փակ ուլտրաձայնային ռեակտոր։ Հոսքագծում ուլտրաձայնային մշակումը թույլ է տալիս զգալիորեն ավելի համաչափ ուլտրաձայնային մշակման ենթարկել ամբողջ գրաֆիտային հումքը. գրաֆիտ / ջուր լուծույթն անմիջապես ուլտրաձայնային կավիտացիայի սահմանափակ տարածություն մատակարարելիս ամբողջ գրաֆիտը համաչափ ուլտրաձայնային մշակման է ենթարկվում՝ ապահովելով բարձրորակ գրաֆենի փաթիլների բարձր ելք։
Hielscher Ultrasonics համակարգերը թույլ են տալիս ճշգրիտ վերահսկել մշակման բոլոր կարևոր պարամետրերը, ինչպիսիք են ամպլիտուդը, ժամանակը / պահման տևողությունը, էներգիայի ներմուծումը (Ws/mL), ճնշումը և ջերմաստիճանը։ Ուլտրաձայնային օպտիմալ պարամետրերի սահմանումն ապահովում է ամենաբարձր ելքը, որակը և ընդհանուր արդյունավետությունը։
Ինչպե՞ս է ուլտրաձայնային մշակումը նպաստում գրաֆենի շերտազատմանը
Երբ բարձր հզորության ուլտրաձայնային ալիքների էներգիան հաղորդվում է գրաֆիտի փոշուց և ջրից կամ որևէ լուծիչից կազմված կախույթին, ուլտրաձայնամեխանիկական ուժերը, ինչպիսիք են ուժեղ սահքը, ինտենսիվ տուրբուլենտ հոսքերը և ճնշման ու ջերմաստիճանի մեծ տարբերությունները, ստեղծում են էներգետիկորեն ինտենսիվ պայմաններ։ Այս էներգետիկորեն ինտենսիվ պայմաններն ակուստիկ կավիտացիայի երևույթի արդյունք են։
Ուլտրաձայնային կավիտացիայի մասին ավելին կարդացեք այստեղ։
Հզոր ուլտրաձայնը սկսում է գրաֆիտի փոշու ընդարձակումը, քանի որ հեղուկները ճնշմամբ ներմղվում են գրաֆենային շերտերի միջև, որոնցից կազմված է գրաֆիտը։ Ուլտրաձայնային սահքի ուժերը տարանջատում են գրաֆենի առանձին թերթերը և դրանք լուծույթում դիսպերգում որպես գրաֆենի փաթիլներ։ Ջրում գրաֆենի երկարաժամկետ կայունությունն ապահովելու համար անհրաժեշտ է մակերևութաակտիվ նյութ։
Հեղուկ փուլում գրաֆենի ուլտրաձայնային շերտազատման մեխանիզմը։
Հետազոտությունը և պատկերը՝ Tyurnina և համահեղինակներ, 2021։
Բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքեր՝ գրաֆենի շերտազատման համար
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի խելացի գործառույթները նախագծված են հուսալի աշխատանք, վերարտադրելի արդյունքներ և օգտագործման հարմարավետություն երաշխավորելու համար։ Աշխատանքային կարգավորումները կարելի է հեշտությամբ բացել և ընտրել ինտուիտիվ ընտրացանկի միջոցով, որը հասանելի է գունավոր թվային սենսորային էկրանից և զննարկիչով հեռակառավարման միջոցով։ Ուստի մշակման բոլոր պայմանները, ինչպիսիք են զուտ էներգիան, ընդհանուր էներգիան, ամպլիտուդը, ժամանակը, ճնշումը և ջերմաստիճանը, ավտոմատ կերպով գրանցվում են ներկառուցված SD քարտի վրա։ Սա թույլ է տալիս վերանայել և համեմատել ուլտրաձայնային մշակման նախորդ ցիկլերը և օպտիմալացնել գրաֆենի շերտազատման գործընթացը՝ հասնելով ամենաբարձր արդյունավետությանը։
Hielscher Ultrasonics համակարգերն ամբողջ աշխարհում օգտագործվում են բարձրորակ գրաֆենի թերթերի և գրաֆենի օքսիդների արտադրության համար։ Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը կարող են հեշտությամբ աշխատել բարձր ամպլիտուդներով՝ անընդհատ ռեժիմով (24/7/365)։ Մինչև 200µm ամպլիտուդներ կարելի է հեշտությամբ և անընդհատ ստեղծել ստանդարտ սոնոտրոդներով (ուլտրաձայնային զոնդեր / եղջյուրներ և CascatrodesTM)։ Էլ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։ Իրենց ամրության և սպասարկման փոքր պահանջների շնորհիվ մեր ուլտրաձայնային շերտազատման համակարգերը սովորաբար տեղադրվում են ծանր աշխատանքային ռեժիմով կիրառությունների համար և խստապահանջ միջավայրերում։
Գրաֆենի շերտազատման համար նախատեսված Hielscher ուլտրաձայնային մշակման սարքերն արդեն տեղադրված են ամբողջ աշխարհում՝ առևտրային մասշտաբով։ Կապվեք մեզ հետ հիմա՝ քննարկելու գրաֆենի արտադրության ձեր գործընթացը։ Մեր մեծ փորձ ունեցող աշխատակիցները սիրով կտրամադրեն լրացուցիչ տեղեկություններ շերտազատման գործընթացի, ուլտրաձայնային համակարգերի և գների մասին։
Գրաֆենի ուլտրաձայնային սինթեզի, դիսպերգման և ֆունկցիոնալացման մասին ավելին իմանալու համար սեղմեք այստեղ՝
- Գրաֆենի արտադրություն
- Գրաֆենի նանոթիթեղիկներ
- Գրաֆենի շերտազատում ջրային միջավայրում
- Ջրում դիսպերգվող գրաֆեն
- Գրաֆենի օքսիդ
- Xenes
| Խմբաքանակի ծավալ | Ծավալային հոսք | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 1-ից մինչև 500mL | 10-ից մինչև 200mL/min | UP100H |
| 10-ից մինչև 2000mL | 20-ից մինչև 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-ից մինչև 20L | 0,2-ից մինչև 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-ից մինչև 100L | 2-ից մինչև 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-ից մինչև 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | ավելի մեծ | խմբով միացված UIP16000 |
Կապվեք մեզ հետ։ / Հարցրեք մեզ։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն արտադրում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբով խառնման կիրառությունների, դիսպերգման, էմուլգացման և էքստրակցիայի համար։
Գրականություն / Հղումներ
- 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.
Օգտակար փաստեր
Ի՞նչ է գրաֆենը
Գրաֆենը միաշերտ է՝ կազմված sp2-կապերով միացած ածխածնի ատոմներից։ Գրաֆենն ունի նյութական եզակի բնութագրեր, ինչպիսիք են արտասովոր մեծ տեսակարար մակերեսը (2620 m2 g-1), գերազանց մեխանիկական հատկությունները՝ 1 TPa Յունգի մոդուլով և 130 GPa սեփական ամրությամբ, չափազանց բարձր էլեկտրոնային հաղորդականությունը (էլեկտրոնների շարժունակությունը սենյակային ջերմաստիճանում՝ 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), շատ բարձր ջերմահաղորդականությունը (ավելի քան 3000 W m K-1)․ այստեղ թվարկված են ամենակարևոր հատկությունները։ Իր գերազանց նյութական հատկությունների շնորհիվ գրաֆենը լայնորեն օգտագործվում է բարձր արդյունավետությամբ մարտկոցների, վառելիքային տարրերի, արևային տարրերի, գերկոնդենսատորի, ջրածնի պահեստարանների, էլեկտրամագնիսական վահանների և էլեկտրոնային սարքերի մշակման ու արտադրության մեջ։ Բացի այդ, գրաֆենը որպես ամրացնող հավելանյութ ներառվում է բազմաթիվ նանոկոմպոզիտների և կոմպոզիտային նյութերի մեջ, օրինակ՝ պոլիմերներում, կերամիկայում և մետաղական մատրիցներում։ Իր բարձր հաղորդականության շնորհիվ գրաֆենը հաղորդիչ ներկերի և թանաքների կարևոր բաղադրիչ է։
Մեծ ծավալներով և ցածր ծախսերով առանց արատների գրաֆենի արագ ու անվտանգ ուլտրաձայնային ստացումը թույլ է տալիս ընդլայնել գրաֆենի կիրառությունները արդյունաբերության ավելի ու ավելի շատ ճյուղերում։
Գրաֆենը ածխածնի մեկ ատոմ հաստությամբ շերտ է, որը կարելի է նկարագրել որպես գրաֆենի միաշերտ կամ 2D կառուցվածք (միաշերտ գրաֆեն = SLG)։ Գրաֆենն ունի արտասովոր մեծ տեսակարար մակերես և գերազանց մեխանիկական հատկություններ (Յունգի մոդուլը՝ 1 TPa, սեփական ամրությունը՝ 130 GPa), ապահովում է բարձր էլեկտրոնային և ջերմային հաղորդականություն, լիցքակիրների շարժունակություն, թափանցիկություն և անթափանց է գազերի համար։ Այս նյութական բնութագրերի շնորհիվ գրաֆենն օգտագործվում է որպես ամրացնող հավելանյութ՝ կոմպոզիտներին իր ամրությունը, հաղորդականությունը և այլ հատկություններ հաղորդելու համար։ Գրաֆենի բնութագրերն այլ նյութերի հետ համատեղելու համար գրաֆենը պետք է դիսպերգվի բաղադրության մեջ կամ կիրառվի որպես բարակ թաղանթային ծածկույթ՝ ենթաշերտի վրա։
Բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային տեխնոլոգիաներ։ Hielscher ընկերության արտադրատեսականին ընդգրկում է ամբողջ տիրույթը՝ կոմպակտ լաբորատոր ուլտրաձայնային սարքերից և սեղանի վրա տեղադրվող սարքերից մինչև լիարժեք արդյունաբերական ուլտրաձայնային համակարգեր։