Ultraschallexfoliatioun vu Graphen, dat a Waasser dispergéierbar ass
- Graphen-Nanoplättche mat enger oder zwou Schichte kënne séier duerch Ultraschallexfoliatioun mat héijem Duerchsaz a bei niddrege Käschte produzéiert ginn.
- Duerch Ultraschall exfoliéiert Graphen ka mat Biopolymere funktionaliséiert ginn, fir Graphen ze kréien, dat a Waasser dispergéierbar ass.
- Duerch Ultraschallkavitatioun kann dat synthetiséiert Graphen zu enger stabiler Dispersioun op Waasserbasis weiderverschafft ginn.
Ultraschallexfoliatioun vu qualitativ héichwäertegem Graphen
D’Ultraschallbehandlung ass eng zouverlässeg Method, fir Graphenschichten (Graphen mat enger, zwou oder wéinege Schichten) aus Graphitflacken oder -partikelen ze produzéieren. Wärend aner geleefeg Exfoliatiounstechniken, wéi Kugel- a Walzemillen oder Mëscher mat héije Schéierkräften, mat niddreger Qualitéit an dem Asaz vun aggressive Reagenzien a Léisungsmëttele verbonne sinn, iwwerzeegt d’Ultraschallexfoliatioun duerch hir héich Produktqualitéit, héich Prozesskapazitéit a mëll Veraarbechtungsbedéngungen.
D’Ultraschallkavitatioun erzeugt intensiv Schéierkräften, déi déi openee gestapelt Graphitschichten a Graphen ouni Defekter mat enger, zwou oder wéinege Schichten trennen.
Graphenplättchen, déi a Waasser dispergéierbar sinn, duerch Ultraschallbehandlung
D’Ultraschallbehandlung ass en effikaast Verfare mat widderhuelbare Resultater, fir Kuelestoffnanoréiercher a Waasser oder organesche Léisungsmëttelen ze entwéckelen.[/caption]Ënner normale Bedéngungen ass Graphen nëmme schwéier a Waasser dispergéierbar a bildt Aggregater an Agglomerater, wann et an engem waasserege Medium dispergéiert gëtt. Well waassereg Systemer déi bedeitend Virdeeler hunn, datt se käschtegënschteg, net gëfteg an ëmweltfrëndlech sinn, si Graphensystemer op Waasserbasis fir Graphenproduzenten an déi nogelagert Industrie héich attraktiv.
Fir Graphen-Nanoplättchen ze kréien, déi a Waasser dispergéierbar sinn, gëtt dat duerch Ultraschall exfoliéiert Graphen mat Polysacchariden / Biopolymere wéi Pullulan, Chitosan, Alginat, Gelatin oder Gummi arabicum modifizéiert.
- qualitativ héichwäertegt Graphen
- héich Ausbeut
- Dispersioun op Waasserbasis
- héich Konzentratioun
- héich Effizienz
- séiere Prozess
- niddreg Käschten
- héijen Duerchsaz
- ëmweltfrëndlech
Ultraschallreakter mat Ultraschallapparater mat Sond fir d’Graphenexfoliatioun am industrielle Moossstaf
Protokoll fir déi direkt Exfoliatioun vu Graphit mat Ultraschall
Net-ionesche Pullulan an anionescht Alginat (1,0 g) goufe getrennt an 20 ml destilléiertem Waasser opgeléist, wärend kationesche Chitosan (0,4 g) an 20 ml destilléiertem Waasser mat 1 wt% Essegsaier opgeléist gouf. Graphitpolver gouf an de waasserege Biopolymerléisungen dispergéiert a mat engem Ultraschallapparat mat Sond UP200S (maximal Leeschtung 200 W, Frequenz 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Däitschland) behandelt, dee mat enger Titansonotrod (Mikrospëtzt S3, Spëtzenduerchmiesser 3 mm, maximal Amplitud 210µm, akustesch Leeschtungsdicht oder Uewerflächenintensitéit 460 W cm-2) ekipéiert war, an zwar ënner follgende Bedéngungen: 0,5 Zyklus a 50% Amplitud, iwwer eng Dauer vun jeeweils 10, 20, 30 a 60 min. Déi bescht Resultater goufe bei enger Ultraschallbehandlung vun 30min erreecht. D’Ultraschallbehandlung gouf mat enger Leeschtung vu 16,25 W fir 30 Minutten duerchgefouert, mat engem Energieverbrauch (Energieofgab pro Volumenunitéit) vu 731 Ws ml-1.
Uschléissend goufen d’Mëschunge bei 1500 rpm fir 60 min zentrifugéiert, fir net exfoliéiert Graphitpartikelen ze entfernen, an duerno 5-mol gewäsch an nach eng Kéier bei 5000 rpm fir 20 min zentrifugéiert, fir iwwerschësseg Biopolymere ze entfernen. Déi entstane donkelgro Léisunge goufe bei 40ºC am Vakuum gedréchent, bis kee Masseverloscht méi opgetrueden ass. Déi entstane Polymer–Graphen-Polvere goufe fir d’Charakteriséierung erëm a Waasser dispergéiert (1 mg ml-1 fir Pullulan a Chitosan; 0,18 mg ml-1 fir Alginat). Graphenplättchen, déi duerch Ultraschallbehandlung mat Ënnerstëtzung vu Pullulan, Alginat a Chitosan kritt goufen, goufen als pull-G, alg-G respektiv chit-G bezeechent.
Vun den dräi Systemer ware Pullulan a Chitosan bei der Exfoliatioun vu Graphit méi effikass wéi Alginat. Dës Method huet exfoliéiert Graphenplättche mat enger, zwou oder wéinege Schichte mat nëmme wéinege lateralen Defekter (un de Kanten) geliwwert. D’Adsorptioun vu Biopolymeren op der Graphenuewerfläch gëtt der waassereger Dispersioun eng laang unhalend Stabilitéit (méi wéi 6 Méint).
(vgl. Unalan et al. 2015)
Eng Héichvitess-Bildsequenz (vun a bis f), déi déi sonomechanesch Exfoliatioun vun enger Graphitflack a Waasser weist mat dem UP200S, engem 200W Ultraschallapparat mat enger 3-mm Sonotrod. Feiler weisen d’Plaz vun der Opspléckung (Exfoliatioun), wou Kavitatiounsblosen an de Spléck andréngen.
(Etüd a Biller: © Tyurnina et al. 2020
TEM-Biller vu pull-G fir: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G fir 30 min; (f) alg-G fir 30 min. (Unalan et al. 2015)
Ultraschallapparater fir d’Graphenexfoliatioun
Hielscher Ultraschallprozessoren mat héijer Leeschtung gi weltwäit fir déi erfollegräich Exfoliatioun an Dispersioun vu Graphit a Graphen agesat. Eis Ultraschalldispergéierer si vu Labor- an Dëschapparater bis hin zu kompletten industrielle Produktiounsanlagen disponibel. Nieft hirer Robustheet, dem 24/7-Betrib an hirem niddregen Ënnerhaltsbedarf iwwerzeegen Hielscher Ultraschallapparater duerch eng ganz einfach Prozessduerchféierung a linear Skaléierbarkeet.
Prozesser kënnen einfach am Laboratoire getest an optiméiert ginn. Duerno kënnen all Prozessresultater komplett linear op de kommerzielle Produktiounsmoossstaf skaléiert ginn. Dëst mécht d’Ultraschallbehandlung zu enger effikasser an effizienter Produktiounsmethod fir grouss Quantitéite vu qualitativ héichwäertege Graphenplättchen.
Déi industriell Ultraschallprozessoren vun Hielscher Ultrasonics kënne ganz héich Amplitudë liwweren. Amplitudë vu bis zu 200µm kënnen ouni Weideres kontinuéierlech am 24/7-Betrib agesat ginn. Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel. Passend Ultraschallreaktere garantéieren d’Méiglechkeet vun enger zouverlässeger a sécherer Masseproduktioun vu qualitativ héichwäertege Graphen-Nanoplättchen a vu stabilen Nanoplättchendispersiounen.
D’Robustheet vun den Ultraschallapparater vun Hielscher erméiglecht en 24/7-Betrib ënner héijer Belaaschtung an an usprochsvollen Ëmfeldbedéngungen.
Déi follgend Tabell gëtt Iech eng Indikatioun vun der ongeféierer Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:
| Chargevolumen | Duerchfloss | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | méi héich | Verbund vu UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Mechanismus vun der Ultraschallexfoliatioun vun 2D-Nanoplättchen.
(Etüd a Grafik: Tyurnina et al., 2020)
Wëssenswäertes
Graphen
Graphen besteet aus enger eenzeger Schicht vu sp2-gebonnene Kuelestoffatomer. Graphen bitt eenzegaarteg Materialeegenschafte wéi eng aussergewéinlech grouss spezifesch Uewerfläch (2620 m2 g-1), iwwerleeë mechanesch Eegenschafte mat engem Young-Modul vun 1 TPa an enger intrinsescher Festegkeet vun 130 GPa, eng extrem héich elektronesch Leetfäegkeet (Elektronemobilitéit bei Raumtemperatur vun 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), eng ganz héich thermesch Leetfäegkeet (iwwer 3000 W m K-1), fir déi wichtegst Eegenschaften ze nennen. Wéinst sengen iwwerleeë Materialeegenschafte gëtt Graphen intensiv an der Entwécklung an der Produktioun vu leeschtungsstaarke Batterien, Brennstoffzellen, Solarzellen, Superkondensatoren, Waasserstoffspäicheren, elektromagnéiteschen Ofschiermungen an elektroneschen Apparater agesat. Ausserdeem gëtt Graphen als verstäerkenden Zousaz a vill Nanokompositten a Kompositmaterialien agebaut, z. B. a Polymeren, Keramiken a Metallmatricen. Wéinst senger héijer Leetfäegkeet ass Graphen e wichtege Bestanddeel vu leetfäege Faarwen an Tënten.
Déi séier a sécher Ultraschallpräparatioun vu Graphen ouni Defekter a grousse Volumë bei niddrege Käschten erméiglecht et, d’Uwendunge vu Graphen op ëmmer méi Industrien auszebreeden.
Literatur/Referenzen
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- 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.
- 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.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics produzéiert Ultraschallhomogenisateure mat héijer Leeschtung a Gréisste vun der Laborgréisst bis zur Industriegréisst.