Ūdenī disperģējamā grafēna ultraskaņas pīlings
- Mono- un divslāņu grafēna nanolapas var ātri ražot, izmantojot ultraskaņas pīlingu ar augstu caurlaidspēju un par zemām izmaksām.
- Ultrasoniski pīlinga grafēnu var funkcionalizēt ar biopolimēriem, lai iegūtu ūdenī disperģējamu grafēnu.
- Ar ultraskaņas kavitāciju sintezēto grafēnu var tālāk apstrādāt stabilā ūdens dispersijā.
Augstas kvalitātes grafēna ultraskaņas pīlings
Ultrasonication ir uzticama metode, lai ražotu grafēna slāņus (mono-, bi- un dažu slāņu grafēnu) no grafīta pārslām vai daļiņām. Lai gan citas izplatītas pīlinga metodes, piemēram, lodveida un ruļļu dzirnavas vai augstas bīdes maisītāji, ir saistītas ar zemu kvalitāti un agresīvu reaģentu un šķīdinātāju izmantošanu, ultraskaņas pīlinga metode pārliecina ar augstu kvalitāti, augstu procesa jaudu un viegliem apstrādes apstākļiem.
Ultraskaņas kavitācija rada intensīvus bīdes spēkus, kas atdala sakrautos grafīta slāņus mono-, bi- un dažos slāņos bez defektiem grafēna.
Ūdenī disperģējamas grafēna loksnes, izmantojot ultraskaņu
Ultrasonication ir efektīva procedūra ar atkārtojamiem rezultātiem, lai atšķetinātu oglekļa nanocaurules ūdenī vai organiskos šķīdinātājos. [/paraksts] Normālos apstākļos grafēns ir grūti disperģējams ūdenī un, izkliedēts ūdens vidē, veido agregātus un aglomerātus. Tā kā ūdens sistēmām ir ievērojamas priekšrocības, jo tās ir lētas, netoksiskas, videi draudzīgas, uz ūdens bāzes veidotas grafēna sistēmas ir ļoti pievilcīgas grafēna ražotājiem un pakārtotajai rūpniecībai.
Lai iegūtu ūdenī disperģējamus grafēna nanosheets, ultrasoniski pīlinga grafēns tiek modificēts ar polisaharīdiem / biopolimēriem, piemēram, pullulānu, hitozānu, alginātu, želatīnu vai gumijas arābu.
- augstas kvalitātes grafēns
- augsta raža
- dispersija uz ūdens bāzes
- augsta koncentrācija
- augsta efektivitāte
- ātrs process
- zemas izmaksas
- augsta caurlaidspēja
- videi draudzīgs
Ultraskaņas reaktors ar zondes tipa ultrasonikatoriem rūpnieciska mēroga grafēna pīlingam
Grafīta tiešās pīlinga protokols, izmantojot Ultrasonics
Nejonu pullulāns un anjonu algināts (1,0 g) tika atsevišķi izšķīdināti 20 ml destilēta ūdens, bet katjonu hitozāns (0,4 g) tika izšķīdināts 20 ml destilēta ūdens ar 1 masas% etiķskābi. Grafīta pulveris tika disperģēts ūdens biopolimēru šķīdumos un apstrādāts, izmantojot zondes tipa ultrasonicator UP200S (maksimālā jauda 200 W, frekvence 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Vācija), kas aprīkots ar titāna sonotrodu (mikro gals S3, gala diametrs 3 mm, maksimālā amplitūda 210 μm, akustiskās jaudas blīvums vai virsmas intensitāte 460 W cm-2) šādos apstākļos: 0,5 cikls un 50% amplitūda, uz laiku attiecīgi 10, 20, 30 un 60 min. Vislabākie rezultāti tika iegūti 30min ultraskaņas stāvoklī. Ultraskaņas apstrāde tika pielietota ar jaudu 16, 25 W 30 minūtes, ar enerģijas patēriņu (enerģijas izvade uz tilpuma vienību) 731 Ws ml-1.
Pēc tam maisījumus centrifugēja pie 1500 apgr./min 60 minūtes, lai noņemtu nedispersās grafīta daļiņas, un pēc tam mazgāja 5 reizes un atkal centrifugēja ar 5000 apgr./min 20 minūtes, lai noņemtu liekos biopolimērus. Iegūtie tumši pelēkie šķīdumi tika žāvēti vakuumā 40 ° C temperatūrā, līdz tie nezaudēja masu. Iegūtie polimēru–grafēnu pulveri tika atkārtoti disperģēti ūdenī (1 mg ml-1 pullulanam un hitozānam; 0,18 mg ml-1 alginātam) raksturošanai. Grafēna loksnes, kas iegūtas ar pullulāna, algināta un hitozāna palīdzību, tika norādītas attiecīgi kā pull-G, alg-G un chit-G.
No trim sistēmām pululāns un hitozāns bija efektīvāki grafīta pīlingā nekā algināts. Šī metode deva pīlinga mono-, divu un dažu slāņu grafēna loksnes ar tikai zemiem sānu (malu) defektiem. Biopolimēru adsorbcija uz grafēna virsmas nodrošina ilgstošu ūdens dispersijas stabilitāti (vairāk nekā 6 mēnešus).
(sal. ar Unalan et al. 2015)
Ātrgaitas kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sono-mehānisko lobīšanos ūdenī izmantojot UP200S, 200W ultrasonicator ar 3 mm sonotrode. Bultiņas parāda sadalīšanas (pīlinga) vietu ar kavitācijas burbuļiem, kas iekļūst sadalījumā.
(pētījums un attēli: © Tyurnina et al. 2020
TEM attēli ar pull-G: a) 10 min; b) 20 minūtes; c) 30 min; d) 60 minūtes; e) chit-G 30 min; f) alg-G 30 min (Unalan et al. 2015)
Ultrasonikatori grafēna pīlingam
Hielscher augstas jaudas ultraskaņas procesori tiek izmantoti visā pasaulē, lai veiksmīgi lobītu un izkliedētu grafītu un grafēnu. Mūsu ultraskaņas izkliedētāji ir pieejami no laboratorijas un stenda līdz pilnām rūpnieciskām ražošanas vienībām. Bez izturības, 24/7 darbības un zemas apkopes, Hielscher ultrasonikatori pārliecina ar augstu apstrādes vieglumu un lineāro mērogojamību.
Procesus var viegli pārbaudīt un optimizēt laboratorijā. Pēc tam visus procesa rezultātus var mērogot pilnīgi lineāri līdz komerciālās ražošanas līmenim. Tas padara ultraskaņu par efektīvu un efektīvu ražošanas metodi lielam augstas kvalitātes grafēna lokšņu apjomam.
Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori var nodrošināt ļoti augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes. Atbilstošie ultraskaņas reaktori nodrošina uzticamu un drošu augstas kvalitātes grafēna nanolapu masveida ražošanu, kā arī stabilas nanolapas dispersijas.
Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība ļauj 24/7 darboties lieljaudas režīmā un prasīgā vidē.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000 |
| n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
2D nanolapu ultraskaņas pīlinga mehānisms.
(pētījums un grafiks: Tyurnina et al., 2020)
Fakti, kurus ir vērts zināt
grafēns
Grafēns ir sp monoslānis2-saistītie oglekļa atomi. Grafēns piedāvā unikālas materiāla īpašības, piemēram, ārkārtīgi lielu īpatnējo virsmas laukumu (2620 m)2g-1), izcilas mehāniskās īpašības ar Young moduli 1 TPa un raksturīgo stiprību 130 GPa, ārkārtīgi augstu elektronisko vadītspēju (istabas temperatūras elektronu mobilitāte 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), ļoti augsta siltuma vadītspēja (virs 3000 W m K-1), lai nosauktu svarīgākās īpašības. Pateicoties izcilajām materiāla īpašībām, grafēns tiek plaši izmantots augstas veiktspējas bateriju, degvielas elementu, saules bateriju, superkondensatoru, ūdeņraža krātuvju, elektromagnētisko vairogu un elektronisko ierīču izstrādē un ražošanā. Turklāt grafēns ir iekļauts daudzos nanokompozītos un kompozītmateriālos kā pastiprinoša piedeva, piemēram, polimēros, keramikā un metāla matricās. Pateicoties augstajai vadītspējai, grafēns ir svarīga vadošu krāsu un tintes sastāvdaļa.
Ātrais un drošais Ultraskaņas sagatavošana bez defektu grafēna lielos apjomos ar zemām izmaksām ļauj paplašināt grafēna pielietojumu arvien vairāk nozarēs.
Literatūra/Atsauces
- 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 ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.