Penggilingan Ultrasonik Bubuk Nano Termoelektrik

• Penelitian telah menunjukkan bahwa penggilingan ultrasonik dapat berhasil digunakan untuk fabrikasi nanopartikel termoelektrik dan memiliki potensi untuk memanipulasi permukaan partikel.
• Partikel yang digiling secara ultrasonik (misalnya Bi₂Te₃-based alloy) menunjukkan pengurangan ukuran yang signifikan dan partikel nano yang dibuat dengan kurang dari 10μm.
• Selanjutnya, sonikasi menghasilkan perubahan signifikan dari morfologi permukaan partikel dan memungkinkan untuk memfungsikan permukaan partikel mikro dan nano.

nanopartikel termoelektrik

Bahan termoelektrik mengubah energi panas menjadi energi listrik berdasarkan efek Seebeck dan Peltier. Dengan demikian menjadi mungkin untuk mengubah energi panas yang hampir tidak dapat digunakan atau hampir hilang secara efektif menjadi aplikasi yang produktif. Karena bahan termoelektrik dapat dimasukkan dalam aplikasi baru seperti baterai biotermal, pendinginan termoelektrik solid-state, perangkat optoelektronik, ruang angkasa, dan pembangkit listrik otomotif, penelitian dan industri mencari teknik yang mudah dan cepat untuk menghasilkan nanopartikel termoelektrik yang ramah lingkungan, ekonomis, dan stabil suhu tinggi. penggilingan ultrasonik serta sintesis dari bawah ke atas (Sono-Kristalisasi) adalah rute yang menjanjikan untuk produksi massal bahan nano termoelektrik yang cepat.

Peralatan Penggilingan Ultrasonik

Untuk pengurangan ukuran partikel bismut telluride (Bi₂Te₃), magnesium silisida (Mg₂Si) dan bubuk silikon (Si), sistem ultrasonik intensitas tinggi UIP1000hdT (1kW, 20kHz) digunakan dalam pengaturan gelas kimia terbuka. Untuk semua percobaan, amplitudo diatur ke 140μm. Bejana sampel didinginkan dalam bak air, suhu dikendalikan oleh thermo-couple. Karena sonikasi dalam bejana terbuka, pendinginan digunakan untuk mencegah penguapan larutan penggilingan (misalnya, etanol, butanol, atau air).

(a) Diagram skematik pengaturan eksperimental. (b) Peralatan penggilingan ultrasonik. sumber: Marquez-Garcia et al. 2015.

Penggilingan ultrasonik hanya selama 4 jam Bi₂Te₃-paduan sudah menghasilkan sejumlah besar nanopartikel dengan ukuran antara 150 dan 400 nm. Selain pengurangan ukuran ke kisaran nano, sonikasi juga mengakibatkan perubahan morfologi permukaan. Gambar SEM pada gambar di bawah b, c, dan d menunjukkan bahwa tepi tajam partikel sebelum penggilingan ultrasonik menjadi halus dan bulat setelah penggilingan ultrasonik.

Distribusi ukuran partikel dan gambar SEM dari paduan berbasis Bi2Te3 sebelum dan sesudah penggilingan ultrasonik. sebuah – distribusi ukuran partikel; b – Gambar SEM sebelum penggilingan ultrasonik; c – Gambar SEM setelah penggilingan ultrasonik selama 4 jam; d – Gambar SEM setelah penggilingan ultrasonik selama 8 jam.
sumber: Marquez-Garcia et al. 2015.

Untuk menentukan apakah pengurangan ukuran partikel dan modifikasi permukaan dicapai secara unik dengan penggilingan ultrasonik, percobaan serupa dilakukan dengan menggunakan ball mill berenergi tinggi. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 3. Jelas bahwa partikel 200-800 nm diproduksi dengan penggilingan bola selama 48 jam (12 kali lebih lama dari penggilingan ultrasonik). SEM menunjukkan bahwa tepi tajam Bi₂Te₃-partikel paduan pada dasarnya tetap tidak berubah setelah penggilingan. Hasil ini menunjukkan bahwa tepi halus adalah karakteristik unik dari penggilingan ultrasonik. Penghematan waktu dengan penggilingan ultrasonik (penggilingan bola 4 jam vs 48 jam) juga luar biasa.

Distribusi ukuran partikel dan gambar SEM Mg2Si sebelum dan sesudah penggilingan ultrasonik. (a) Distribusi ukuran partikel; (b) Gambar SEM sebelum penggilingan ultrasonik; (c) Gambar SEM setelah penggilingan ultrasonik dalam 50% PVP–50% EtOH selama 2 jam.
sumber: Marquez-Garcia et al. 2015.

Marquez-Garcia et al. (2015) menyimpulkan bahwa penggilingan ultrasonik dapat mendegradasi Bi₂Te₃ dan Mg₂Bubuk Si menjadi partikel yang lebih kecil, yang ukurannya berkisar antara 40 hingga 400 nm, menunjukkan teknik potensial untuk produksi industri nanopartikel. Dibandingkan dengan penggilingan bola berenergi tinggi, penggilingan ultrasonik memiliki dua karakteristik unik:

1. 1. terjadinya celah ukuran partikel yang memisahkan partikel asli dari yang dihasilkan oleh penggilingan ultrasonik; dan
2. 2. Perubahan substansial dalam morfologi permukaan terlihat setelah penggilingan ultrasonik, menunjukkan kemungkinan memanipulasi permukaan partikel.

Kesimpulan

Penggilingan ultrasonik partikel yang lebih keras membutuhkan sonikasi di bawah tekanan untuk menghasilkan kavitasi yang intens. Sonikasi di bawah tekanan tinggi (yang disebut manosonication) meningkatkan gaya geser dan tegangan pada partikel secara drastis.
Pengaturan sonikasi inline kontinu memungkinkan beban partikel yang lebih tinggi (bubur seperti pasta), yang meningkatkan hasil penggilingan karena penggilingan ultrasonik didasarkan pada tabrakan antar-partikel.
Sonikasi dalam pengaturan resirkulasi diskrit memungkinkan untuk memastikan perlakuan homogen dari semua partikel dan oleh karena itu distribusi ukuran partikel yang sangat sempit.

Keuntungan utama dari penggilingan ultrasonik adalah bahwa teknologi ini dapat dengan mudah ditingkatkan untuk produksi dalam jumlah besar — penggilingan ultrasonik industri yang kuat dan tersedia secara komersial dapat menangani jumlah hingga 10m³/jam.

Keuntungan Penggilingan Ultrasonik

• Cepat, hemat waktu
• Hemat energi
• Hasil yang dapat digandakan
• Tanpa media penggilingan (tanpa manik-manik atau mutiara)
• Biaya investasi rendah

Ultrasonicators Kinerja Tinggi

Penggilingan ultrasonik membutuhkan peralatan ultrasonik berdaya tinggi. Untuk menghasilkan gaya geser kavitasi yang intens, amplitudo dan tekanan tinggi sangat penting. Ultrasonik Hielscher’ prosesor ultrasonik industri dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan terus menerus dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia. Dalam kombinasi dengan reaktor aliran bertekanan Hielscher, kavitasi yang sangat intens dibuat sehingga ikatan antarmolekul dapat diatasi dan efek penggilingan yang efisien tercapai.
Kekokohan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan pengoperasian 24/7 pada tugas berat dan di lingkungan yang menuntut. Kontrol digital dan jarak jauh serta perekaman data otomatis ke kartu SD internal memastikan pemrosesan yang tepat, kualitas yang dapat direproduksi, dan memungkinkan standarisasi proses.

Keuntungan dari Ultrasonicators Kinerja Tinggi Hielscher

• amplitudo sangat tinggi
• tekanan tinggi
• Proses Inline Berkelanjutan
• Peralatan yang kuat
• skala-up linear
• hemat dan mudah dioperasikan
• Mudah dibersihkan