Eksfoliasi Grafena Berbasis Air
Eksfoliasi ultrasonik memungkinkan produksi grafena berlapis sedikit tanpa menggunakan pelarut agresif, hanya dengan air murni. Sonikasi berdaya tinggi mendelaminasi lembaran grafena dalam waktu pemrosesan yang singkat. Penghindaran penggunaan pelarut menjadikan eksfoliasi grafena sebagai proses yang ramah lingkungan dan berkelanjutan.
Produksi Grafena melalui Eksfoliasi Fase Cair
Grafena diproduksi secara komersial melalui proses yang disebut eksfoliasi fase cair. Eksfoliasi grafena dalam fase cair memerlukan penggunaan pelarut yang beracun, berbahaya bagi lingkungan, dan mahal, yang digunakan sebagai praperlakuan kimia atau dikombinasikan dengan teknik dispersi mekanis. Untuk dispersi mekanis lembaran grafena, ultrasonikasi telah terbukti sebagai teknik yang sangat andal, efisien, dan aman untuk menghasilkan lembaran grafena berkualitas tinggi dalam jumlah besar pada skala industri penuh. Karena penggunaan pelarut agresif selalu disertai biaya, kontaminasi, proses penghilangan dan pembuangan yang rumit, masalah keselamatan, serta beban lingkungan, alternatif yang tidak beracun dan lebih aman memberikan keuntungan yang signifikan. Oleh karena itu, eksfoliasi grafena menggunakan air sebagai pelarut dan ultrasonik berdaya tinggi untuk delaminasi mekanis lembaran grafena berlapis sedikit merupakan teknik yang sangat menjanjikan untuk produksi grafena yang ramah lingkungan.
Pelarut umum yang sering digunakan sebagai fase cair untuk mendispersikan lembaran nano grafena meliputi dimetil sulfoksida (DMSO), N,N-dimetilformamida (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilurea (TMU), tetrahidrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), etanol, dan formamida.
Sebagai teknik yang telah lama mapan untuk eksfoliasi grafena pada skala komersial, ultrasonikasi memungkinkan produksi grafena berkualitas tinggi dengan kemurnian tinggi dan biaya rendah. Karena eksfoliasi grafena ultrasonik dapat ditingkatkan skalanya secara sepenuhnya linear hingga volume berapa pun, produksi serpihan grafena berkualitas tinggi dapat dengan mudah diterapkan untuk produksi massal grafena.
UIP2000hdT adalah disperser ultrasonik berdaya tinggi 2kW untuk eksfoliasi dan dispersi grafena.
Eksfoliasi Ultrasonik Grafena dalam Air
Tyurnina et al. (2020) menyelidiki pengaruh amplitudo dan intensitas sonikasi pada larutan air murni–grafit serta eksfoliasi grafena yang dihasilkan. Dalam penelitian tersebut, mereka menggunakan Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Eksfoliasi ultrasonik menggunakan air diterapkan sebagai proses satu langkah untuk delaminasi grafena berlapis sedikit. Pemrosesan singkat selama 2h sudah cukup untuk menghasilkan grafena berlapis sedikit dalam konfigurasi sonikasi dengan gelas beker terbuka.
Urutan bingkai berkecepatan tinggi (dari a hingga f) yang menggambarkan eksfoliasi sonomekanis serpihan grafit dalam air menggunakan UP200s, sonikator 24 kHz dengan sonotrode 3-mm. Panah menunjukkan lokasi pembelahan (eksfoliasi) dengan gelembung kavitasi yang menembus celah.
© Tyurnina et al., 2020
Optimalisasi Eksfoliasi Grafena Ultrasonik
Konfigurasi ultrasonik yang digunakan oleh Tyurnina et al. (2020) dapat dengan mudah dioptimalkan untuk meningkatkan efisiensi dan mempercepat eksfoliasi dengan menggunakan reaktor ultrasonik tertutup dalam mode aliran kontinu. Pemrosesan ultrasonik inline memungkinkan perlakuan ultrasonik yang jauh lebih seragam terhadap seluruh bahan baku grafit: dengan memasukkan larutan grafit / air langsung ke dalam ruang kavitasi ultrasonik yang terbatas, seluruh grafit disonikasi secara seragam sehingga menghasilkan rendemen tinggi serpihan grafena berkualitas tinggi.
Sistem Hielscher Ultrasonics memungkinkan kontrol presisi atas semua parameter pemrosesan penting seperti amplitudo, waktu / retensi, masukan energi (Ws/mL), tekanan, dan suhu. Pengaturan parameter ultrasonik yang optimal menghasilkan rendemen, kualitas, dan efisiensi keseluruhan tertinggi.
Bagaimana Ultrasonikasi Mendorong Eksfoliasi Grafena
Ketika gelombang ultrasonik berdaya tinggi dikopel ke dalam bubur serbuk grafit dan air atau pelarut apa pun, gaya sonomekanis seperti gaya geser tinggi, turbulensi intens, serta perbedaan tekanan dan suhu yang besar menciptakan kondisi berenergi tinggi. Kondisi berenergi tinggi ini merupakan hasil fenomena kavitasi akustik.
Baca selengkapnya tentang kavitasi ultrasonik di sini!
Ultrasonik berdaya tinggi memicu pengembangan serbuk grafit karena fluida ditekan masuk di antara lapisan grafena penyusun grafit. Gaya geser ultrasonik mendelaminasi lembaran individual grafena dan mendispersikannya sebagai serpihan grafena dalam larutan. Untuk memperoleh stabilitas jangka panjang grafena dalam air, diperlukan surfaktan.
Mekanisme eksfoliasi grafena dalam fase cair secara ultrasonik.
Penelitian dan gambar oleh Tyurnina et al., 2021.
Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Eksfoliasi Grafena
Fitur cerdas sonikator Hielscher dirancang untuk menjamin pengoperasian yang andal, hasil yang dapat direproduksi, dan kemudahan penggunaan. Pengaturan operasional dapat diakses dan disetel dengan mudah melalui menu intuitif yang dapat diakses melalui layar sentuh digital berwarna dan kendali jarak jauh melalui peramban. Dengan demikian, semua kondisi pemrosesan seperti energi neto, energi total, amplitudo, waktu, tekanan, dan suhu direkam secara otomatis pada kartu SD bawaan. Hal ini memungkinkan Anda meninjau dan membandingkan proses sonikasi sebelumnya serta mengoptimalkan proses eksfoliasi grafena untuk mencapai efisiensi tertinggi.
Sistem Hielscher Ultrasonics digunakan di seluruh dunia untuk memproduksi lembaran grafena dan oksida grafena berkualitas tinggi. Sonikator industri Hielscher dapat dengan mudah beroperasi pada amplitudo tinggi secara kontinu (24/7/365). Amplitudo hingga 200µm dapat dengan mudah dihasilkan secara kontinu dengan sonotrode standar (probe / horn ultrasonik dan CascatrodesTM). Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang dibuat khusus. Berkat ketangguhan dan kebutuhan perawatannya yang rendah, sistem eksfoliasi ultrasonik kami umumnya dipasang untuk aplikasi tugas berat dan di lingkungan dengan tuntutan operasional tinggi.
Prosesor ultrasonik Hielscher untuk eksfoliasi grafena telah dipasang di seluruh dunia pada skala komersial. Hubungi kami sekarang untuk mendiskusikan proses produksi grafena Anda! Staf kami yang berpengalaman akan dengan senang hati memberikan informasi lebih lanjut tentang proses eksfoliasi, sistem ultrasonik, dan harga!
Untuk mempelajari lebih lanjut tentang sintesis, dispersi, dan fungsionalisasi grafena secara ultrasonik, silakan klik di sini:
- Produksi Grafena
- Nanoplatelet Grafena
- Eksfoliasi Grafena Berbasis Air
- Grafena yang Dapat Didispersikan dalam Air
- Oksida Grafena
- Xenes
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10 hingga 200mL/min | UP100H |
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lebih besar | kelompok unit UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi, dan ekstraksi pada skala laboratorium, pilot, dan industri.
Literatur / Referensi
- 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.
Fakta yang Perlu Diketahui
Apa Itu Grafena?
Grafena adalah lapisan tunggal atom karbon dengan ikatan sp2. Grafena menawarkan karakteristik material yang unik seperti luas permukaan spesifik yang luar biasa besar (2620 m2 g-1), sifat mekanis unggul dengan modulus Young sebesar 1 TPa dan kekuatan intrinsik sebesar 130 GPa, konduktivitas elektronik yang sangat tinggi (mobilitas elektron pada suhu ruang sebesar 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), konduktivitas termal yang sangat tinggi (di atas 3000 W m K-1), untuk menyebutkan sifat-sifat yang paling penting. Berkat sifat materialnya yang unggul, grafena banyak digunakan dalam pengembangan dan produksi baterai berkinerja tinggi, sel bahan bakar, sel surya, superkapasitor, penyimpanan hidrogen, perisai elektromagnetik, dan perangkat elektronik. Selain itu, grafena dimasukkan ke dalam banyak nanokomposit dan material komposit sebagai aditif penguat, misalnya dalam polimer, keramik, dan matriks logam. Berkat konduktivitasnya yang tinggi, grafena merupakan komponen penting dalam cat dan tinta konduktif.
Preparasi ultrasonik grafena bebas cacat secara cepat dan aman dalam volume besar dengan biaya rendah memungkinkan perluasan aplikasi grafena ke semakin banyak industri.
Grafena adalah lapisan karbon setebal satu atom yang dapat dideskripsikan sebagai struktur grafena satu lapis atau 2D (grafena satu lapis = SLG). Grafena memiliki luas permukaan spesifik yang luar biasa besar dan sifat mekanis unggul (modulus Young sebesar 1 TPa dan kekuatan intrinsik sebesar 130 GPa), menawarkan konduktivitas elektronik dan termal yang sangat baik, mobilitas pembawa muatan, transparansi, serta tidak dapat ditembus gas. Berkat karakteristik material ini, grafena digunakan sebagai aditif penguat untuk memberikan kekuatan, konduktivitas, dan sebagainya pada komposit. Untuk menggabungkan karakteristik grafena dengan material lain, grafena harus didispersikan ke dalam campuran atau diaplikasikan sebagai pelapis film tipis pada substrat.
Teknologi ultrasonik berkinerja tinggi! Rangkaian produk Hielscher mencakup seluruh spektrum, mulai dari sonikator laboratorium yang ringkas, unit meja, hingga sistem ultrasonik skala industri penuh.