수성 그래핀 박리
초음파 박리 방법을 사용하면 순수한 물만을 사용하여 강한 용매를 사용하지 않고 소수의 층 그래핀을 생산할 수 있습니다. 고출력 초음파 처리는 짧은 처리 내에서 그래 핀 시트를 박리합니다. 용매를 사용하지 않음으로써 그래핀 박리를 친환경적이고 지속 가능한 공정으로 바꿀 수 있습니다.
액상 박리를 통한 그래핀 생산
그래핀은 소위 액상 박리를 통해 상업적으로 제조됩니다. 그래핀의 액상 박리에는 독성이 있고 환경에 유해하며 값비싼 용매를 사용해야 하며, 이는 화학적 전처리로 사용되거나 기계적 분산 기술과 함께 사용됩니다. 그래 핀 시트의 기계적 분산을 위해, 초음파는 완전 산업 수준에서 고품질의 그래 핀 시트를 대량으로 생산하기위한 매우 신뢰할 수 있고 효율적이며 안전한 기술로 확립되었습니다. 강한 용매의 사용은 항상 비용, 오염, 복잡한 제거 및 폐기, 안전 문제, 환경 부담을 수반하기 때문에 무독성 및 안전한 대안이 훨씬 유리합니다. 따라서 물을 용매로 사용하고 소수의 층 그래핀 시트의 기계적 박리를 위한 전력 초음파를 사용하는 그래핀 박리는 녹색 그래핀 제조에 매우 유망한 기술입니다.
그래핀 나노시트를 분산시키기 위해 액상으로 자주 사용되는 일반적인 용매에는 디메틸 설폭사이드(DMSO), N,N-디메틸포름아미드(DMF), N-메틸-2-피롤리돈(NMP), 테트라메틸우레아(TMU), 테트라하이드로푸란(THF), 프로필렌 카보네이트아세톤(PC), 에탄올 및 포름아미드가 있습니다.
상업적 규모의 그래 핀 박리를위한 이미 장기간 확립 된 기술로서, 초음파는 저렴한 비용으로 고순도의 고품질 그래 핀을 생산할 수 있습니다. 초음파 그래핀 박리는 모든 부피에 대해 완전히 선형 확장될 수 있기 때문에 고품질 그래핀 플레이크의 생산 수율은 그래핀의 대량 생산을 위해 쉽게 구현될 수 있습니다.
UIP2000hdT는 2kW의 강력한 초음파 분산기입니다 그래핀 박리 및 분산용.
물에서 그래핀의 초음파 박리
Tyurnina et al. (2020)은 순수한 물-흑연 용액에 대한 진폭 및 초음파 처리 강도의 영향과 그에 따른 그래핀 박리를 조사했습니다. 이 연구에서 그들은 Hielscher UP200S (200W, 24kHz)를 사용했습니다. 물을 사용한 초음파 박리는 소수의 층 그래핀 박리를 위한 단일 단계 공정으로 적용되었습니다. 2h의 짧은 처리는 개방형 비커 초음파 처리 설정에서 소수의 그래 핀을 생성하기에 충분했습니다.
물에서 흑연 플레이크의 음파 기계적 박리를 보여주는 프레임의 고속 시퀀스(a에서 f까지) UP200s를 사용하여 3mm sonotrode가있는 24kHz 초음파입니다. 화살표는 캐비테이션 버블이 분할을 관통하는 분할(박리) 위치를 보여줍니다.
© Tyurnina 외, 2020
Ultrasonic Graphene Exfoliation의 최적화
Tyurnina et al. (2020)에서 사용하는 초음파 설정은 플로우 스루 모드에서 폐쇄형 초음파 반응기를 사용하여 더 효율적이고 더 빠른 박리 제거를 위해 쉽게 최적화 할 수 있습니다. 초음파 인라인 처리는 모든 흑연 원료의 훨씬 더 균일 한 초음파 처리를 가능하게합니다 : 흑연 / 수용액을 초음파 캐비테이션의 제한된 공간에 직접 공급하면 모든 흑연이 균일하게 초음파 처리되어 고품질 그래 핀 플레이크의 높은 수율을 얻을 수 있습니다.
Hielscher 초음파 시스템을 사용하면 진폭, 시간 / 머무름, 에너지 입력 (Ws / mL), 압력 및 온도와 같은 모든 중요한 처리 매개 변수를 정밀하게 제어 할 수 있습니다. 최적의 초음파 매개 변수를 설정하면 최고의 수율, 품질 및 전반적인 효율성이 향상됩니다.
초음파는 어떻게 그래 핀 박리를 촉진합니까?
고출력 초음파가 흑연 분말과 물 또는 용매의 슬러리에 결합되면 고 전단력, 강렬한 난기류, 높은 압력 및 온도 차이와 같은 초음파 역학적 힘은 에너지 집약적 인 조건을 생성합니다. 이러한 에너지 집약적 조건은 음향 캐비테이션 현상의 결과입니다.
초음파 캐비테이션에 대한 자세한 내용은 여기를 참조하십시오!
파워 초음파는 흑연이 구성된 그래핀 층 사이에 유체가 압착되기 때문에 흑연 분말의 팽창을 시작합니다. 초음파 전단력은 그래핀의 단일 시트를 박리하고 용액에서 그래핀 플레이크로 분산시킵니다. 물에서 그래핀의 장기적인 안정성을 얻으려면 계면활성제가 필요합니다.
초음파 액상 박리의 기계주의, 그래핀 박리의 박리.
연구 및 사진: Tyurnina et al., 2021.
그래핀 박리를 위한 고성능 초음파기
Hielscher 초음파의 스마트 기능은 안정적인 작동, 재현 가능한 결과 및 사용자 친화성을 보장하도록 설계되었습니다. 작동 설정은 직관적인 메뉴를 통해 쉽게 액세스하고 다이얼할 수 있으며, 디지털 컬러 터치 디스플레이 및 브라우저 원격 제어를 통해 액세스할 수 있습니다. 따라서 순 에너지, 총 에너지, 진폭, 시간, 압력 및 온도와 같은 모든 처리 조건이 내장 SD 카드에 자동으로 기록됩니다. 이를 통해 이전 초음파 처리 실행을 수정 및 비교하고 그래 핀 박리 과정을 최고의 효율로 최적화 할 수 있습니다.
Hielscher 초음파 시스템은 고품질 그래 핀 시트 및 그래 핀 산화물의 제조에 전 세계적으로 사용됩니다. Hielscher 산업용 초음파기는 연속 작동 (24/7/365)에서 높은 진폭을 쉽게 실행할 수 있습니다. 최대 200μm의 진폭은 표준 소노트로드(초음파 프로브/혼 및 캐스캐트로데스™). 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. 견고하고 유지 보수가 적기 때문에 당사의 초음파 박리 제거 시스템은 일반적으로 중장비 응용 분야와 까다로운 환경에 설치됩니다.
그래 핀 박리를위한 Hielscher 초음파 프로세서는 이미 상업적 규모로 전 세계에 설치되어 있습니다. 당신의 그래핀 제조 공정에 대해 논의하기 위해 지금 저희에게 연락하십시오! 경험이 풍부한 직원이 각질 제거 과정, 초음파 시스템 및 가격에 대한 자세한 정보를 공유하게되어 기쁩니다!
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
문의! / 저희에게 물어보세요!
Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모에서 혼합 응용 분야, 분산, 유화 및 추출을위한 고성능 초음파 균질화기를 제조합니다.
문헌 / 참고문헌
- 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.
알아 둘 만한 가치가 있는 사실
그래핀이란?
그래핀은 sp의 단층입니다.2-결합 된 탄소 원자. 그래핀은 매우 큰 비표면적(2620m)과 같은 독특한 재료 특성을 제공합니다.2g-1), 1 TPa의 영률 및 130 GPa의 고유 강도, 매우 높은 전자 전도성(2.5 × 105cm의 실온 전자 이동도)을 가진 우수한 기계적 특성2 V-1s-1), 매우 높은 열전도율(3000W m K 이상)-1)을 사용하여 가장 중요한 속성의 이름을 지정할 수 있습니다. 그래핀은 우수한 재료 특성으로 인해 고성능 배터리, 연료 전지, 태양 전지, 슈퍼 커패시터, 수소 저장, 전자기 차폐 및 전자 장치의 개발 및 생산에 많이 사용됩니다. 또한, 그래핀은 폴리머, 세라믹 및 금속 매트릭스와 같은 강화 첨가제로 많은 나노 복합 재료 및 복합 재료에 통합됩니다. 높은 전도성으로 인해 그래핀은 전도성 페인트와 잉크의 중요한 구성 요소입니다.
저렴한 비용으로 무결점 그래핀을 대량으로 빠르고 안전하게 초음파로 준비할 수 있기 때문에 그래핀의 응용 분야를 점점 더 많은 산업 분야로 확대할 수 있습니다.
그래핀은 원자 1개 두께의 탄소층으로, 그래핀의 단층 또는 2D 구조(단층 그래핀 = SLG)로 설명할 수 있습니다. 그래핀은 비표면적이 매우 크고 기계적 특성(영률 1TPa 및 고유 강도 130GPa)을 가지며 우수한 전자 및 열 전도성, 전하 캐리어 이동성, 투명성을 제공하며 가스가 투과되지 않습니다. 이러한 재료 특성으로 인해 그래핀은 복합재에 강도, 전도성 등을 부여하기 위한 강화 첨가제로 사용됩니다. 그래핀의 특성을 다른 물질과 결합하기 위해서는 그래핀을 화합물에 분산시키거나 기판에 박막 코팅으로 도포해야 합니다.
고성능 초음파! Hielscher의 제품 범위는 벤치 탑 장치의 소형 실험실 초음파기에서 전체 산업용 초음파 시스템에 이르기까지 전체 스펙트럼을 포괄합니다.