Ultrasonic Exfoliatioun vu Waasser-disperséierbar Graphene
- Mono- a bi-Layer graphene Nanosheets kënne séier iwwer Ultraschallexfoliatioun mat héijen Duerchgang a mat niddrege Käschten produzéiert ginn.
- Ultraschall exfoliéiert Graphen ka mat Biopolymere funktionaliséiert ginn fir Waasser-disperséierbar Graphen ze kréien.
- Duerch Ultraschallkavitatioun kann de synthetiséierte Graphen weider an eng stabil Waasserbaséiert Dispersioun veraarbecht ginn.
Ultrasonic Exfoliatioun vu Héichqualitativ Graphen
Ultrasonication ass eng zouverlässeg Method fir graphene Schichten (Mono-, bi- a puer-Schicht graphene) aus GRAPHITE Flakelen oder Partikel ze produzéieren. Wärend aner allgemeng Exfoliatiounstechnike wéi Kugel- a Rollmillen oder High-Shear-Mixer mat niddereger Qualitéit an der Notzung vun aggressive Reagenzen a Léisungsmëttel verbonne sinn, iwwerzeegt d'Ultraschall-Exfoliatiounsmethod duerch seng héichqualitativ Ausgang, héich Prozesskapazitéit a mëll Veraarbechtungsbedéngungen.
Ultraschall Kavitatioun erstellt intensiv Schéierkraaft, déi d'gestapelte Grafitschichten an Mono-, Bi- a puer Schichten vu defektfräi Grafen trennen.
Waasser-disperséierbar Graphene Blieder iwwer Sonication
Ultrasonication ass eng efficace Prozedur mat widderholl Resultater fir Kuelestoff-Nanotubes a Waasser oder organesch Léisungsmëttel z'entdecken.[/caption] Ënner normalen Bedéngungen ass Graphen kaum disperséierbar a Waasser a bildt Aggregaten an Agglomeraten wann se an wässerlech Medium dispergéiert ginn. Zënter wässerlech Systemer hunn bedeitend Virdeeler fir bëlleg ze sinn, net gëfteg, ëmweltfrëndlech, Waasserbaséiert Graphensystemer sinn héich attraktiv fir Graphen Hiersteller an der Downstream Industrie.
Fir Waasser-disperséierbar graphene Nanosheeten ze kréien, gëtt den ultraschall-exfoliéierten graphene mat Polysacchariden / Biopolymere wéi Pullulan, Chitosan, Alginat, Gelatin oder Arabesch Gummi modifizéiert.
- héich Qualitéit graphene
- héich nozeginn
- Waasser-baséiert Dispersioun
- héich Konzentratioun
- héich Effizienz
- séiere Prozess
- Käschtegënschteg
- héich Duerchschnëtt
- ëmweltfrëndlech
Ultraschallreaktor mat Sonde-Typ Ultraschaller fir industriell Skala Graphene Peeling
Protokoll fir direkt Exfoliatioun vu Graphit mat Ultraschall
Net-ionesch Pullulan an anionesch Alginat (1,0 g) goufen getrennt an 20 ml destilléiert Waasser opgeléist, wärend kationesch Chitosan (0,4 g) an 20 ml destilléiert Waasser mat 1 wt% Essigsäure opgeléist gouf. Grafitpulver gouf an de wässerleche Biopolymerléisungen verdeelt a behandelt mat engem Sonde-Typ Ultraschall UP200S (maximal Kraaft 200 W, Frequenz 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Däitschland) ausgestatt mat enger Titan Sonotrode (Mikro Tipp S3, Tipp Duerchmiesser 3 mm, maximal Amplitude 210µm, akustesch Kraaftdicht oder Uewerflächintensitéit 460 W cm-2) ënner de folgende Bedéngungen: 0,5 Zyklus a 50% Amplituden, fir eng Period vun 10, 20, 30 a 60 min, respektiv. Bescht Resultater goufen op 30min sonication kritt. Sonication gouf mat der Kraaft vun 16.25 W fir 30 Minutten applizéiert, mat Energieverbrauch (Energieausgang pro Eenheetsvolumen) vun 731 Ws ml-1.
Duerno goufen d'Mëschunge bei 1500 rpm fir 60 min centrifugéiert fir onexfoliéiert Graphitpartikelen ze entfernen an duerno 5 Mol gewäsch an erëm bei 5000 rpm fir 20 min centrifugéiert fir iwwerschësseg Biopolymeren ze entfernen. Déi resultéierend donkelgro Léisunge goufen Vakuum-gedréchent bei 40ºC bis kee Masseverloscht. Déi resultéierend Polymer-Graphen-Pulver goufen am Waasser (1 mg ml-1 fir Pullulan a Chitosan; 0.18 mg ml-1 fir Alginat) fir Charakteriséierung erëm dispergéiert. Graphene Blieder, déi duerch Pullulan-, Alginat- a Chitosan-assistéiert Ultraschall kritt goufen, goufen als Pull-G, alg-G a Chit-G respektiv uginn.
Aus den dräi Systemer ware Pullulan a Chitosan méi effektiv bei der Peeling vu Grafit wéi Alginat. Dës Method huet exfoliéiert Mono-, Bi- a puer-Schicht-Graphenplacke mat nëmmen nidderegen lateralen (Kante) Mängel erginn. D'Adsorptioun vu Biopolymeren op der graphene Uewerfläch bitt eng laang dauerhaft Stabilitéit (méi wéi 6 Méint) vun der wässerlecher Dispersioun.
(cf. Unalan et al. 2015)
Eng Héichgeschwindeg Sequenz (vun a bis f) vu Frames, déi sono-mechanesch Peeling vun enger Grafitflacke am Waasser illustréieren mat der UP200S, en 200W Ultraschall mat 3-mm Sonotrode. Pfeile weisen d'Plaz vun der Spaltung (Exfoliatioun) mat Kavitatiounsblasen, déi d'Spalt penetréieren.
(Studie a Biller: © Tyurnina et al. 2020
TEM Biller vun 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)
Ultrasonicators fir Graphene Exfoliatioun
Hielscher High-Power Ultraschall-Prozessoren ginn weltwäit fir déi erfollegräich Peeling an Dispersioun vu Grafit a Graphen benotzt. Eis Ultraschall-Disperger sinn verfügbar vu Labo a Bank-Top bis zu voller industrieller Produktiounsunitéiten. Nieft Robustheet, 24/7 Operatioun a geréng Ënnerhalt, Hielscher Ultraschaller iwwerzeegen duerch héich Veraarbechtung a linear Skalierbarkeet.
Prozesser kënnen einfach am Labo getest an optimiséiert ginn. Duerno kënnen all Prozessresultater komplett linear op kommerziell Produktiounsniveau skaléiert ginn. Dëst mécht d'Sonication eng effektiv an effizient Produktiounsmethod fir den héije Volumen vu qualitativ héichwäerte Graphenplacke.
Hielscher Ultrasonics industriell Ultrasonic Prozessoren kënne ganz héich Amplituden liwweren. Amplituden vu bis zu 200µm kënne ganz einfach kontinuéierlech a 24/7 Operatioun lafen. Fir nach méi héich Amplituden sinn personaliséiert Ultraschall Sonotroden verfügbar. Passende Ultraschallreaktoren garantéieren d'Fähigkeit vun zouverlässeg a sécherer Masseproduktioun vu qualitativ héichwäerteg Graphen Nanosheeten wéi och stabil Nanosheet Dispersiounen.
D'Robustitéit vun der Hielscher Ultraschallausrüstung erlaabt 24/7 Operatioun bei schwéierer Pflicht an an usprochsvollen Ëmfeld.
D'Tabell hei drënner gëtt Iech eng Indikatioun vun der geschätzter Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschaller:
| Batch Volume | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 10 bis 2000 ml | 20 bis 400 ml/min | UP200Ht, UP 400 St |
| 0.1 bis 20L | 02 bis 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 l | 2 bis 10 l/min | UIP4000 |
| na | 10 bis 100 l/min | UIP16000 |
| na | méi grouss | Stärekoup vun UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Mechanismus vun Ultraschall Peeling vun 2D Nanosheets.
(Studie a Grafik: Tyurnina et al., 2020)
Fakten Worth Wëssen
graphene
Graphene ass eng Monoschicht vu sp2- gebonnen Kuelestoffatome. Graphene bitt eenzegaarteg Material Charakteristiken wéi eng aussergewéinlech grouss spezifesch Uewerfläch (2620 m2g-1), superieure mechanesch Eegeschafte mat engem Young's Modulus vun 1 TPa an enger intrinsescher Kraaft vun 130 GPa, eng extrem héich elektronesch Konduktivitéit (Raumtemperatur Elektronen Mobilitéit vun 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), ganz héich thermesch Konduktivitéit (iwwer 3000 W mK-1), fir déi wichtegst Eegeschaften ze nennen. Wéinst senge superieure Materialeigenschaften gëtt Graphen staark an der Entwécklung an der Produktioun vun Héichleistungsbatterien, Brennstoffzellen, Solarzellen, Superkondensator, Waasserstofflagerungen, elektromagnetesche Schëlder an elektroneschen Apparater benotzt. Ausserdeem gëtt Graphen a villen Nanokompositen a Kompositmaterialien als Verstäerkungsadditiv agebaut, zB a Polymeren, Keramik a Metallmatrixen. Wéinst senger héijer Konduktivitéit ass Graphen e wichtege Bestanddeel vu konduktiven Faarwen an Tënten.
Déi séier a sécher Ultraschallpräparatioun vu defektfräie Grafen bei grousse Volumen zu niddrege Käschten erlaabt d'Applikatioune vu Graphen zu méi a méi Industrien ze vergréisseren.
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 fabrizéiert High-Performance Ultrasonic Homogenisatoren aus Labo zu industriell Gréisst.