Waasserbaséiert Exfoliatioun vu Grafen

D’Ultraschallexfoliatioun erméiglecht et, Grafen aus wéinege Schichten hierzestellen, ouni aggressiv Léisungsmëttel ze benotzen an nëmme mat rengem Waasser. Eng kuerz Behandlung mat héichleeschtungsfäegem Ultraschall trennt d’Grafenschichten auserneen. Duerch de Verzicht op Léisungsmëttel gëtt d’Exfoliatioun vu Grafen zu engem ëmweltfrëndlechen, nohaltege Prozess.

Produktioun vu Grafen duerch Exfoliatioun an der flësseger Phas

Grafen gëtt kommerziell duerch déi sougenannt Exfoliatioun an der flësseger Phas hiergestallt. D’Exfoliatioun vu Grafen an der flësseger Phas erfuerdert gëfteg, ëmweltschiedlech an deier Léisungsmëttel, déi fir eng cheemesch Virbehandlung oder a Kombinatioun mat enger mechanescher Dispersiounstechnik benotzt ginn. Fir d’mechanesch Dispersioun vun de Grafenschichten huet sech d’Ultraschallbehandlung als héich zouverlässeg, effizient a sécher Technik etabléiert, fir héichwäerteg Grafenschichten a grousse Quantitéiten op vollindustriellem Niveau hierzestellen. Well d’Benotzung vun aggressive Léisungsmëttel ëmmer mat Käschten, Kontaminatioun, enger komplexer Entfernung an Entsuergung, Sécherheetsbedenken an enger Belaaschtung fir d’Ëmwelt verbonnen ass, bitt eng net gëfteg a méi sécher Alternativ däitlech Virdeeler. D’Exfoliatioun vu Grafen mat Waasser als Léisungsmëttel an Héichleeschtungsultraschall fir d’mechanesch Delaminatioun vu Grafenschichten aus wéinege Lagen ass dofir eng héich verspriechend Technik fir eng ëmweltfrëndlech Grafenproduktioun.
Zu den heefege Léisungsmëttelen, déi dacks als flësseg Phas fir d’Dispersioun vu Grafen-Nanoschichte benotzt ginn, gehéieren Dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-Dimethylformamid (DMF), N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Tetramethylharnstoff (TMU), Tetrahydrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), Ethanol a Formamid.
Als eng Technik, déi sech scho laang fir d’Exfoliatioun vu Grafen am kommerzielle Moossstaf etabléiert huet, erméiglecht d’Ultraschallbehandlung d’Produktioun vun héichwäertegem Grafen mat héijer Rengheet zu niddrege Käschten. Well d’Ultraschallexfoliatioun vu Grafen komplett linear op all Volumen skaléiert ka ginn, kann d’Produktiounsausbeut un héichwäertege Grafenflacke liicht fir d’Masseproduktioun vu Grafen ëmgesat ginn.

Ultraschalldispergator UIP2000hdT, en Ultraschallsystem mat enger Leeschtung vun 2000 Watt, fir d'Exfoliatioun an d'Dispersioun vu Grafen.

Den UIP2000hdT ass en Ultraschalldispergator mat enger Leeschtung vun 2kW fir d’Exfoliatioun an d’Dispersioun vu Grafen.

Ultraschallexfoliatioun vu Grafen a Waasser

Tyurnina et al. (2020) hunn d’Auswierkunge vun der Amplitud an der Intensitéit vun der Ultraschallbehandlung op Léisungen aus rengem Waasser a Grafit an op déi doraus resultéierend Exfoliatioun vu Grafen ënnersicht. An der Etüd hu si en Hielscher UP200S (200W, 24kHz) benotzt. D’Ultraschallexfoliatioun mat Waasser gouf als Prozess mat engem eenzege Schrëtt fir d’Delaminatioun vu Grafen aus wéinege Schichten agesat. Eng kuerz Behandlung vun 2h war genuch, fir Grafen aus wéinege Schichten an engem Ultraschallopbau mat engem oppene Becherglas hierzestellen.

Eng Héichvitesssequenz vun Eenzelbiller (vun a bis f), déi d’sonomechanesch Exfoliatioun vun enger Grafitflack a Waasser mam UP200s, engem 24 kHz Ultraschallapparat mat enger 3-mm Sonotrod, weist. D’Feile weisen d’Plaz vun der Opspléckung (Exfoliatioun), wou Kavitatiounsblosen an de Spalt andréngen.
© Tyurnina et al., 2020

Optimiséierung vun der Ultraschallexfoliatioun vu Grafen

Den Ultraschallopbau, dee vun Tyurnina et al. (2020) benotzt gouf, ka liicht fir méi Effizienz an eng méi séier Exfoliatioun optimiséiert ginn, andeems en zouenen Ultraschallreakter am Duerchflossbetrib benotzt gëtt. D’Inline-Ultraschallbehandlung erméiglecht eng däitlech méi gläichméisseg Ultraschallbehandlung vum ganze Grafit-Ausgangsmaterial: Wann d’Grafit-/Waasserléisung direkt an de begrenzte Raum vun der Ultraschallkavitatioun ageleet gëtt, gëtt de ganze Grafit gläichméisseg mat Ultraschall behandelt, wat zu enger héijer Ausbeut un héichwäertege Grafenflacke féiert.
D’Systemer vun Hielscher Ultrasonics erlaben eng präzis Kontroll vun alle wichtege Prozessparameteren, wéi Amplitud, Zäit / Verweilzäit, Energieantrag (Ws/mL), Drock an Temperatur. D’Astellung vun den optimalen Ultraschallparameteren ergëtt déi héchst Ausbeut, Qualitéit a Gesamteffizienz.

Wéi fërdert d’Ultraschallbehandlung d’Exfoliatioun vu Grafen

Wann héichleeschtungsfäeg Ultraschallwellen an eng Suspensioun aus Grafitpolver a Waasser oder engem beliebegen Léisungsmëttel agekoppelt ginn, schafe sonomechanesch Kräfte wéi staark Schéierkräften, intensiv Turbulenzen a grouss Drock- an Temperaturdifferenzen energieräich Bedéngungen. Dës energieräich Bedéngunge sinn d’Resultat vum Phenomeen vun der akustescher Kavitatioun.
Liest hei méi iwwer Ultraschallkavitatioun!
Den Héichleeschtungsultraschall leet d’Ausdeene vum Grafitpolver an, well Flëssegkeeten tëscht d’Grafenschichte gedréckt ginn, aus deenen de Grafit besteet. D’Ultraschall-Schéierkräfte trennen déi eenzel Grafenschichten auserneen an dispergéieren se als Grafenflacken an der Léisung. Fir eng laangfristeg Stabilitéit vu Grafen a Waasser z’erreechen, ass en Tensid néideg.

Ultraschall-Dispergéierung vu Kueleschwaarz mam Ultraschallapparat UP200St

Mechanismus vun der Ultraschallexfoliatioun an der flësseger Phas vun der Grafenexfoliatioun.
Etüd a Bild vun Tyurnina et al., 2021.

Héichleeschtungs-Ultraschallapparater fir d’Exfoliatioun vu Grafen

Déi intelligent Funktioune vun den Hielscher Ultraschallapparater si konzipéiert, fir en zouverlässege Betrib, reproduzéierbar Resultater a Benotzerfrëndlechkeet ze garantéieren. D’Betribsastellunge kënne liicht iwwer en intuitive Menü opgeruff a gewielt ginn, deen iwwer en digitale faarwegen Touchdisplay an eng Fernsteierung iwwer de Browser zougänglech ass. Dobäi ginn all Prozessbedéngungen, wéi Nettoenergie, Gesamtenergie, Amplitud, Zäit, Drock an Temperatur, automatesch op enger agebauter SD-Kaart gespäichert. Dëst erlaabt Iech, fréier Ultraschallbehandlungen ze iwwerpréiwen an ze vergläichen an de Prozess vun der Grafenexfoliatioun op déi héchst Effizienz ze optimiséieren.
D’Systemer vun Hielscher Ultrasonics gi weltwäit fir d’Produktioun vun héichwäertege Grafenschichten a Grafenoxider benotzt. D’industriell Ultraschallapparater vun Hielscher kënne problemlos mat héijen Amplituden am Dauerbetrib (24/7/365) schaffen. Amplitudë vu bis zu 200µm kënne problemlos kontinuéierlech mat Standardsonotroden produzéiert ginn (Ultraschallsonden / Ultraschallhäerner an Cascatrodes^TM). Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel. Wéinst hirer Robustheet an hirem gerénge Besoin un Ënnerhalt ginn eis Ultraschallexfoliatiounssystemer dacks fir Uwendunge mat héijer Belaaschtung an an usprochsvollen Ëmfeld installéiert.

Hielscher Ultraschallprozessoren fir d’Exfoliatioun vu Grafen si scho weltwäit am kommerzielle Moossstaf installéiert. Kontaktéiert eis elo, fir Äre Prozess fir d’Produktioun vu Grafen ze diskutéieren! Eist erfuere Personal deelt gär weider Informatiounen iwwer den Exfoliatiounsprozess, d’Ultraschallsystemer an d’Präisser mat Iech!

Fir méi iwwer d’Ultraschallsynthes, d’Dispersioun an d’Funktionaliséierung vu Grafen gewuer ze ginn, klickt wgl. hei:

Déi folgend Tabell gëtt Iech eng Indikatioun vun der ongeféierer Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:

Chargevolumen	Duerchflossrate	Recommandéiert Apparater
1 bis 500mL	10 bis 200mL/min	UP100H
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	UIP4000hdT
n.a.	10 bis 100L/min	UIP16000
n.a.	méi héich	Verbund vun UIP16000

Kontaktéiert eis! / Frot eis!

Ultraschallhomogenisateure mat héije Schéierkräfte ginn an der Veraarbechtung am Labo, mat Dëschapparater, am Pilotmoossstaf an an der Industrie agesat.

Hielscher Ultrasonics produzéiert héichleeschtungsfäeg Ultraschallhomogenisateure fir Mëschuwendungen, Dispersioun, Emulgéierung an Extraktioun am Labo-, Pilot- an industrielle Moossstaf.

Literatur / Referenzen

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.

Wëssenswäert Fakten

Wat ass Grafen?

Grafen ass eng eenzeg Schicht aus sp²-gebonnene Kuelestoffatomer. Grafen 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 Wärmeleetfäegkeet (iwwer 3000 W m K^-1), fir déi wichtegst Eegenschaften ze nennen. Wéinst sengen iwwerleeë Materialeegenschafte gëtt Grafen vill bei der Entwécklung an der Produktioun vun héichleeschtungsfäege Batterien, Brennstoffzellen, Solarzellen, Superkondensatoren, Waasserstoffspäicheren, elektromagnéiteschen Ofschiermungen an elektroneschen Apparater agesat. Ausserdeem gëtt Grafen a vill Nanokompositten a Kompositmaterialien als verstäerkenden Zousaz agebaut, z. B. a Polymeren, Keramik a Metallmatricen. Wéinst senger héijer Leetfäegkeet ass Grafen e wichtege Bestanddeel vu leitfäege Faarwen an Tënten.
Déi séier a sécher Ultraschallpräparatioun vun defektfräiem Grafen a grousse Volumenen zu niddrege Käschten erméiglecht et, d’Uwendunge vu Grafen op ëmmer méi Industrien auszebreeden.
Grafen ass eng Kuelestoffschicht mat enger Déckt vun engem Atom, déi als eng eenzel Schicht oder eng 2D-Struktur vu Grafen beschriwwe ka ginn (eenschichtege Grafen = SLG). Grafen huet eng aussergewéinlech grouss spezifesch Uewerfläch an iwwerleeë mechanesch Eegenschaften (Young-Modul vun 1 TPa an intrinsesch Festegkeet vun 130 GPa), bitt eng héich elektronesch Leetfäegkeet a Wärmeleetfäegkeet, Ladungsdréiermobilitéit an Transparenz an ass fir Gase net duerchlässeg. Wéinst dëse Materialeegenschafte gëtt Grafen als verstäerkenden Zousaz benotzt, fir Kompositten seng Festegkeet, Leetfäegkeet asw. ze ginn. Fir d’Eegenschafte vu Grafen mat anere Materialien ze kombinéieren, muss Grafen an d’Mëschung dispergéiert ginn oder gëtt als Dënnschichtbeschichtung op e Substrat opgedroen.

Hielscher Ultrasonics liwwert héichleeschtungsfäeg Ultraschallhomogenisateure vu Labogréisst bis zu industrieller Gréisst.

Héichleeschtungsultraschall! D’Produktpalette vun Hielscher deckt de ganze Spektrum of, vum kompakten Ultraschallapparat fir de Labo iwwer Dëschapparater bis zu vollindustriellen Ultraschallsystemer.