Grafēna eksfoliācija ūdenī
Eksfoliācija ar ultraskaņu ļauj iegūt dažu slāņu grafēnu, neizmantojot agresīvus šķīdinātājus un lietojot tikai tīru ūdeni. Apstrāde ar lieljaudas ultraskaņu īsā laikā atslāņo grafēna loksnes. Atteikšanās no šķīdinātājiem padara grafēna eksfoliāciju par videi draudzīgu, ilgtspējīgu procesu.
Grafēna ražošana ar eksfoliāciju šķidrajā fāzē
Grafēnu komerciāli ražo ar tā dēvēto eksfoliāciju šķidrajā fāzē. Grafēna eksfoliācijai šķidrajā fāzē ir jāizmanto toksiski, videi kaitīgi un dārgi šķīdinātāji, kurus lieto ķīmiskai priekšapstrādei vai kombinācijā ar mehāniskās disperģēšanas paņēmienu. Grafēna lokšņu mehāniskai disperģēšanai apstrāde ar ultraskaņu ir nostiprinājusies kā ļoti uzticams, efektīvs un drošs paņēmiens augstas kvalitātes grafēna lokšņu iegūšanai lielos daudzumos pilnā rūpnieciskā mērogā. Tā kā agresīvu šķīdinātāju izmantošanu vienmēr pavada izmaksas, piesārņojums, sarežģīta atdalīšana un utilizācija, drošības apsvērumi, kā arī slogs videi, netoksiska un drošāka alternatīva sniedz būtiskas priekšrocības. Tāpēc grafēna eksfoliācija, izmantojot ūdeni kā šķīdinātāju un lieljaudas ultraskaņu dažu slāņu grafēna lokšņu mehāniskai atslāņošanai, ir ļoti daudzsološs paņēmiens videi draudzīgai grafēna ražošanai.
Pie izplatītiem šķīdinātājiem, kurus bieži izmanto kā šķidro fāzi grafēna nanolokšņu disperģēšanai, pieder dimetilsulfoksīds (DMSO), N,N-dimetilformamīds (DMF), N-metil-2-pirolidons (NMP), tetrametilurīnviela (TMU), tetrahidrofurāns (THF), propilēnkarbonātacetons (PC), etanols un formamīds.
Apstrāde ar ultraskaņu kā jau sen nostiprinājies paņēmiens grafēna eksfoliācijai komerciālā mērogā ļauj ar zemām izmaksām iegūt augstas kvalitātes grafēnu ar augstu tīrības pakāpi. Tā kā grafēna eksfoliāciju ar ultraskaņu var pilnīgi lineāri mērogot jebkuram tilpumam, augstas kvalitātes grafēna pārslu ieguvi var viegli īstenot grafēna masveida ražošanā.
UIP2000hdT ir jaudīgs 2kW ultraskaņas dispergators grafēna eksfoliācijai un disperģēšanai.
Grafēna eksfoliācija ūdenī ar ultraskaņu
Tyurnina et al. (2020) pētīja amplitūdas un ultraskaņas apstrādes intensitātes ietekmi uz tīra ūdens un grafīta šķīdumiem un rezultātā iegūto grafēna eksfoliāciju. Pētījumā tika izmantots Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Eksfoliācija ar ultraskaņu, izmantojot ūdeni, tika lietota kā vienpakāpes process dažu slāņu grafēna atslāņošanai. Lai iegūtu dažu slāņu grafēnu ultraskaņas apstrādes iekārtā ar atvērtu vārglāzi, pietika ar īsu, 2h ilgu apstrādi.
Lielā ātrumā uzņemtu kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sonomehānisku eksfoliāciju ūdenī, izmantojot UP200s – 24 kHz ultraskaņas ierīci ar 3-mm sonotrodi. Bultiņas norāda šķelšanās (eksfoliācijas) vietu, kurā kavitācijas burbuļi iekļūst spraugā.
© Tyurnina et al., 2020
Grafēna eksfoliācijas ar ultraskaņu optimizācija
Tyurnina et al. (2020) izmantoto ultraskaņas apstrādes iekārtu var viegli optimizēt, lai palielinātu efektivitāti un paātrinātu eksfoliāciju, izmantojot slēgtu ultraskaņas reaktoru caurplūdes režīmā. Ultraskaņas apstrāde plūsmā nodrošina ievērojami vienmērīgāku visu grafīta izejvielu apstrādi ar ultraskaņu: padodot grafīta / ūdens šķīdumu tieši ierobežotajā ultraskaņas kavitācijas telpā, viss grafīts tiek vienmērīgi apstrādāts ar ultraskaņu, nodrošinot augstu augstas kvalitātes grafēna pārslu iznākumu.
Hielscher Ultrasonics sistēmas ļauj precīzi kontrolēt visus svarīgos apstrādes parametrus, piemēram, amplitūdu, laiku / uzturēšanās laiku, ievadīto enerģiju (Ws/mL), spiedienu un temperatūru. Optimālu ultraskaņas parametru iestatīšana nodrošina visaugstāko iznākumu, kvalitāti un kopējo efektivitāti.
Kā apstrāde ar ultraskaņu veicina grafēna eksfoliāciju
Kad lieljaudas ultraskaņas viļņi tiek ievadīti grafīta pulvera un ūdens vai jebkura šķīdinātāja suspensijā, sonomehāniskie spēki, piemēram, spēcīga bīde, intensīva turbulence un lielas spiediena un temperatūras starpības, rada apstākļus ar augstu enerģijas intensitāti. Šie apstākļi ar augstu enerģijas intensitāti rodas akustiskās kavitācijas parādības rezultātā.
Lasiet vairāk par ultraskaņas kavitāciju šeit!
Lieljaudas ultraskaņa ierosina grafīta pulvera izplešanos, jo šķidrumi tiek iespiesti starp grafēna slāņiem, no kuriem sastāv grafīts. Ultraskaņas bīdes spēki atslāņo atsevišķās grafēna loksnes un disperģē tās šķīdumā kā grafēna pārslas. Lai nodrošinātu grafēna ilgtermiņa stabilitāti ūdenī, ir nepieciešama virsmaktīvā viela.
Grafēna eksfoliācijas ar ultraskaņu šķidrajā fāzē mehānisms.
Pētījums un attēls: Tyurnina et al., 2021.
Augstas veiktspējas ultraskaņas ierīces grafēna eksfoliācijai
Hielscher ultraskaņas ierīču viedās funkcijas ir izstrādātas, lai garantētu uzticamu darbību, reproducējamus rezultātus un lietošanas ērtumu. Darbības iestatījumiem var viegli piekļūt un tos pielāgot intuitīvā izvēlnē, kas pieejama digitālā krāsu skārienekrānā un attālināti vadāma pārlūkprogrammā. Tādējādi visi apstrādes apstākļi, piemēram, neto enerģija, kopējā enerģija, amplitūda, laiks, spiediens un temperatūra, tiek automātiski reģistrēti iebūvētā SD kartē. Tas ļauj pārskatīt un salīdzināt iepriekšējos ultraskaņas apstrādes ciklus un optimizēt grafēna eksfoliācijas procesu, lai sasniegtu visaugstāko efektivitāti.
Hielscher Ultrasonics sistēmas visā pasaulē izmanto augstas kvalitātes grafēna lokšņu un grafēna oksīdu ražošanai. Hielscher rūpnieciskās ultraskaņas ierīces var viegli darboties ar lielām amplitūdām nepārtrauktā režīmā (24/7/365). Amplitūdas līdz 200µm var viegli un nepārtraukti ģenerēt ar standarta sonotrodēm (ultraskaņas zondēm / koncentratoriem un CascatrodesTM). Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas pielāgotas ultraskaņas sonotrodes. Pateicoties izturībai un nelielajām apkopes prasībām, mūsu ultraskaņas eksfoliācijas sistēmas bieži uzstāda intensīvai ekspluatācijai un darbam sarežģītos vides apstākļos.
Hielscher ultraskaņas procesori grafēna eksfoliācijai jau ir uzstādīti visā pasaulē komerciālā mērogā. Sazinieties ar mums jau tagad, lai apspriestu savu grafēna ražošanas procesu! Mūsu pieredzējušie darbinieki labprāt sniegs plašāku informāciju par eksfoliācijas procesu, ultraskaņas sistēmām un cenām!
Lai uzzinātu vairāk par grafēna sintēzi, disperģēšanu un funkcionalizēšanu ar ultraskaņu, noklikšķiniet šeit:
- Grafēna ražošana
- Grafēna nanoplatītes
- Grafēna eksfoliācija ūdenī
- Ūdenī disperģējams grafēns
- Grafēna oksīds
- Ksēni
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lielāks | ierīču grupa: UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanai, disperģēšanai, emulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijas, pilotiekārtu 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.
Noderīgi fakti
Kas ir grafēns?
Grafēns ir ar sp2-saitēm saistītu oglekļa atomu vienslānis. Grafēnam piemīt unikālas materiāla īpašības, piemēram, ārkārtīgi liels īpatnējās virsmas laukums (2620 m2 g-1), izcilas mehāniskās īpašības ar Junga moduli 1 TPa un iekšējo stiprību 130 GPa, ārkārtīgi augsta elektriskā vadītspēja (elektronu kustīgums istabas temperatūrā 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), ļoti augsta siltumvadītspēja (virs 3000 W m K-1), minot tikai svarīgākās īpašības. Pateicoties izcilajām materiāla īpašībām, grafēnu plaši izmanto augstas veiktspējas akumulatoru, kurināmā elementu, saules elementu, superkondensatoru, ūdeņraža uzglabāšanas sistēmu, elektromagnētisko ekrānu un elektronisko ierīču izstrādē un ražošanā. Turklāt grafēnu iestrādā daudzos nanokompozītos un kompozītmateriālos kā pastiprinošu piedevu, piemēram, polimēros, keramikā un metāla matricās. Augstās vadītspējas dēļ grafēns ir svarīga elektrību vadošu krāsu un tinšu sastāvdaļa.
Ātra un droša grafēna bez defektiem iegūšana lielos apjomos ar ultraskaņu un zemām izmaksām ļauj paplašināt grafēna pielietojumu arvien vairākās nozarēs.
Grafēns ir vienu atomu biezs oglekļa slānis, ko var raksturot kā vienslāņa jeb 2D grafēna struktūru (vienslāņa grafēns = SLG). Grafēnam ir ārkārtīgi liels īpatnējās virsmas laukums un izcilas mehāniskās īpašības (Junga modulis 1 TPa un iekšējā stiprība 130 GPa), augsta elektriskā vadītspēja un siltumvadītspēja, augsts lādiņnesēju kustīgums, caurspīdīgums, un tas ir gāzu necaurlaidīgs. Šo materiāla īpašību dēļ grafēnu izmanto kā pastiprinošu piedevu, lai piešķirtu kompozītmateriāliem stiprību, vadītspēju utt. Lai apvienotu grafēna īpašības ar citiem materiāliem, grafēns ir jādisperģē maisījumā vai jāuzklāj uz pamatnes kā plānslāņa pārklājums.
Augstas veiktspējas ultraskaņas tehnoloģijas! Hielscher produktu klāsts aptver visu spektru no kompaktas laboratorijas ultraskaņas ierīces un galda iekārtām līdz pilna rūpnieciskā mēroga ultraskaņas sistēmām.