Grafēna pīlings uz ūdens bāzes
Ultraskaņas pīlings ļauj ražot dažu slāņu grafēnu, neizmantojot skarbus šķīdinātājus, izmantojot tikai tīru ūdeni. Lieljaudas ultraskaņas apstrāde delaminē grafēna loksnes īsā apstrādē. Izvairīšanās no šķīdinātājiem pārvērš grafēna pīlingu zaļā, ilgtspējīgā procesā.
Grafēna ražošana, izmantojot šķidrās fāzes pīlingu
Grafēns tiek komerciāli ražots, izmantojot tā saukto šķidrās fāzes pīlingu. Grafēna šķidrās fāzes pīlingam nepieciešams izmantot toksiskus, videi kaitīgus un dārgus šķīdinātājus, ko izmanto kā ķīmisku pirmapstrādi vai kombinācijā ar/ar mehānisku dispersijas tehniku. Grafēna lokšņu mehāniskai dispersijai ultrasonication ir izveidota kā ļoti uzticama, efektīva un droša tehnika, lai ražotu augstas kvalitātes grafēna loksnes lielos daudzumos pilnībā rūpnieciskā līmenī. Tā kā skarbo šķīdinātāju izmantošana vienmēr ir saistīta ar izmaksām, piesārņojumu, kompleksu noņemšanu un apglabāšanu, drošības apsvērumiem, kā arī vides slogu, netoksiska un drošāka alternatīva ir ievērojami izdevīga. Tāpēc grafēna pīlings, izmantojot ūdeni kā šķīdinātāju un jaudas ultraskaņu dažu slāņu grafēna lokšņu mehāniskai delaminācijai, ir ļoti daudzsološa metode zaļā grafēna ražošanai.
Parastie šķīdinātāji, kurus bieži izmanto kā šķidro fāzi, lai disperģētu grafēna nanolapas, ietver dimetilsulfoksīdu (DMSO), N,N-dimetilformamīdu (DMF), N-metil-2-pirolidonu (NMP), tetrametilurīnvielu (TMU), tetrahidrofurānu (THF), propilēna karbonātacetonu (PC), etanolu un formamīdu.
Kā jau sen izveidota tehnika grafēna pīlingam komerciālā mērogā, ultrasonication ļauj ražot augstas kvalitātes grafēnu ar augstu tīrību par zemām izmaksām. Tā kā ultraskaņas grafēna pīlingu var pilnīgi lineāri mērogot līdz jebkuram tilpumam, augstas kvalitātes grafēna pārslu ražošanas ražu var viegli īstenot grafēna masveida ražošanai.
UIP2000hdT ir 2kW spēcīgs ultraskaņas izkliedētājs grafēna lobīšanai un dispersijai.
Grafēna ultraskaņas pīlings ūdenī
(2020) pētīja amplitūdas un ultraskaņas intensitātes ietekmi uz tīriem ūdens grafīta šķīdumiem un no tā izrietošo grafēna pīlingu. Pētījumā viņi izmantoja Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultraskaņas pīlings, izmantojot ūdeni, tika izmantots kā viena soļa process dažu slāņu grafēna delaminācijai. Īsa 2h apstrāde bija pietiekama, lai ražotu dažu slāņu grafēnu atvērtā vārglāzes ultraskaņas iestatījumā.
Ātrgaitas kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sono-mehānisko lobīšanos ūdenī izmantojot UP200s, 24 kHz ultrasonicator ar 3 mm sonotrode. Bultiņas parāda sadalīšanas (pīlinga) vietu ar kavitācijas burbuļiem, kas iekļūst sadalījumā.
© Tyurnina et al., 2020
Ultraskaņas grafēna pīlinga optimizācija
(2020) izmantoto ultraskaņas iestatījumu var viegli optimizēt, lai nodrošinātu lielāku efektivitāti un ātrāku pīlingu, izmantojot slēgtu ultraskaņas reaktoru caurplūdes režīmā. Ultraskaņas inline apstrāde ļauj ievērojami vienveidīgāk apstrādāt visu grafīta izejvielu ultraskaņas apstrādi: barojot grafīta / ūdens šķīdumu tieši ultraskaņas kavitācijas slēgtajā telpā, viss grafīts kļūst vienmērīgi apstrādāts ar ultraskaņu, kā rezultātā tiek iegūta augstas kvalitātes grafēna pārslas.
Hielscher Ultrasonics sistēmas ļauj precīzi kontrolēt visus svarīgos apstrādes parametrus, piemēram, amplitūdu, laiku / aizturi, enerģijas ievadi (Ws / ml), spiedienu un temperatūru. Nosakot optimālos ultraskaņas parametrus, tiek iegūta visaugstākā ražība, kvalitāte un vispārējā efektivitāte.
Kā ultrasonication veicina grafēna pīlingu
Kad lieljaudas ultraskaņas viļņi tiek savienoti grafīta pulvera un ūdens vai jebkura šķīdinātāja vircā, sonomehāniskie spēki, piemēram, augstas bīdes, intensīvas turbulences un augsta spiediena un temperatūras starpības, rada energoietilpīgus apstākļus. Šie enerģētiski intensīvie apstākļi ir akustiskās kavitācijas fenomena rezultāts.
Lasiet vairāk par ultraskaņas kavitāciju šeit!
Jaudas ultraskaņa sāk grafīta pulvera paplašināšanos, jo šķidrumi tiek saspiesti starp grafēna slāņiem, no kuriem sastāv grafīts. Ultraskaņas bīdes spēki delaminē atsevišķas grafēna loksnes un izkliedē tās kā grafēna pārslas šķīdumā. Lai iegūtu grafēna ilgtermiņa stabilitāti ūdenī, ir nepieciešama virsmaktīvā viela.
Ultraskaņas šķidrās fāzes mechnisms grafēna pīlinga pīlings.
Pētījums un attēls Tyurnina et al., 2021.
Augstas veiktspējas ultrasonikatori grafēna pīlingam
Hielscher ultrasonikatoru viedās iezīmes ir paredzētas, lai garantētu uzticamu darbību, reproducējamus rezultātus un lietotājdraudzīgumu. Darbības iestatījumiem var viegli piekļūt un tos var izsaukt, izmantojot intuitīvu izvēlni, kurai var piekļūt, izmantojot digitālo krāsu skārienekrānu un pārlūkprogrammas tālvadības pulti. Tāpēc visi apstrādes apstākļi, piemēram, neto enerģija, kopējā enerģija, amplitūda, laiks, spiediens un temperatūra, tiek automātiski ierakstīti iebūvētajā SD kartē. Tas ļauj pārskatīt un salīdzināt iepriekšējos ultraskaņas braucienus un optimizēt grafēna pīlinga procesu līdz augstākajai efektivitātei.
Hielscher Ultrasonics sistēmas tiek izmantotas visā pasaulē augstas kvalitātes grafēna lokšņu un grafēna oksīdu ražošanai. Hielscher rūpnieciskie ultrasonikatori var viegli darbināt augstas amplitūdas nepārtrauktā darbībā (24/7/365). Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti ģenerēt ar standarta sonotrodes (ultraskaņas zondes / ragi un cascatrodesTM). Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes. Sakarā ar to izturību un zemu apkopi, mūsu ultraskaņas pīlinga sistēmas parasti tiek uzstādītas lieljaudas lietojumiem un prasīgā vidē.
Hielscher ultraskaņas procesori grafēna pīlingam jau ir uzstādīti visā pasaulē komerciālā mērogā. Sazinieties ar mums tagad, lai apspriestu savu grafēna ražošanas procesu! Mūsu pieredzējušais personāls labprāt dalīsies ar plašāku informāciju par pīlinga procesu, ultraskaņas sistēmām un cenām!
Lai uzzinātu vairāk par ultraskaņas grafēna sintēzi, dispersiju un funkcionalizāciju, lūdzu, noklikšķiniet šeit:
- Grafēna ražošana
- Grafēna nanoplatelīti
- Grafēna pīlings uz ūdens bāzes
- ūdenī disperģējams grafēns
- Grafēna oksīds
- Ksenes
| Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
| 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 | UIP4000hdT |
| n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanas lietojumiem, dispersijai, emulgācijai un ekstrakcijai laboratorijā, izmēģinājuma un rūpnieciskā mērogā.
Literatūra / Atsauces
- 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.
Fakti, kurus ir vērts zināt
Kas ir 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.
Ātra un droša ultraskaņas sagatavošana defektu nesaturošam grafēnam lielos apjomos par zemām izmaksām ļauj paplašināt grafēna pielietojumu arvien vairāk nozarēs.
Grafēns ir viena atoma biezs oglekļa slānis, ko var raksturot kā grafēna viena slāņa vai 2D struktūru (viena slāņa grafēns = SLG). Grafēnam ir ārkārtīgi liels īpatnējais virsmas laukums un izcilas mehāniskās īpašības (Young modulis 1 TPa un iekšējā izturība 130 GPa), tas nodrošina lielisku elektronisko un siltuma vadītspēju, uzlādes nesēja mobilitāti, caurspīdīgumu un ir gāzu necaurlaidīgs. Šo materiālu īpašību dēļ grafēns tiek izmantots kā pastiprinoša piedeva, lai kompozītmateriāliem piešķirtu izturību, vadītspēju utt. Lai apvienotu grafēna īpašības ar citiem materiāliem, grafēns ir disperģēts savienojumā vai tiek uzklāts kā plānas plēves pārklājums uz pamatnes.
Augstas veiktspējas ultrasonogrāfija! Hielscher produktu klāsts aptver pilnu spektru no kompakta laboratorijas ultrasonikatora virs galda vienībām līdz pilnām rūpnieciskām ultraskaņas sistēmām.