Hielscher Echografietechniek

Ultrasone Grafiekproductie

Ultrasone synthese van grafeen via grafiet-exfoliatie is de meest betrouwbare en voordelige methode om hoogwaardige grafeenplaten op industriële schaal te produceren. Hielscher's hoogwaardige ultrasone processoren zijn nauwkeurig regelbaar en kunnen zeer hoge amplitudes genereren in 24 uur per dag, 7 dagen per week. Dit maakt het mogelijk om grote hoeveelheden ongerepte grafeen te prepareren op een gemakkelijke en controleerbare manier.

Ultrasone Bereiding van grafeen

grafeen sheetOmdat de buitengewone eigenschappen van grafiet bekend zijn, zijn verschillende methoden voor de bereiding ervan ontwikkeld. Naast de chemische productie van grafeen van grafeenoxide in meerstapsprocessen, waarvoor zeer sterke oxidatie- en reductiemiddelen nodig zijn. Bovendien bevat het onder deze ruwe chemische omstandigheden bereide grafeen vaak een grote hoeveelheid defecten, zelfs na reductie in vergelijking met grafenen verkregen uit andere werkwijzen. Echografie is echter een bewezen alternatief om grafeen van hoge kwaliteit te produceren, ook in grote hoeveelheden. Onderzoekers hebben licht verschillende manieren ontwikkeld met behulp van echografie, maar in het algemeen is de grafeenproductie een eenvoudig proces in één stap.
Een voorbeeld van een specifieke grafeen productieroute verkregen: grafiet wordt toegevoegd in een mengsel van verdund organisch zuur, alcohol en water, waarna het mengsel wordt blootgesteld aan ultrasone straling. Het zuur werkt als “moleculaire wedge” die zich afscheidt vel grafeen van de bovenliggende grafiet. Door deze eenvoudige werkwijze, wordt een grote hoeveelheid onbeschadigd, hoogwaardige grafeen gedispergeerd in water gemaakt. (An et al. 2010)

Hielscher's High Power Ultrasound Devices are the ideal tool to prepare graphene - both in lab scale as well as in full commercial process streams

AFM beeld geëxpandeerd GO platen met drie hoogteprofielen verkregen op verschillende locaties (Stankovich et al. 2007): Fig.1.

UIP2000hdT - 2kW ultrasoonapparaat voor vloeistofverwerking.

UIP2000hdT – 2kW krachtige ultrasonicator voor grafeenafschilfering

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Grafeen Direct Peeling

Ultrasound maakt de bereiding van graphenes in organische oplosmiddelen, surfactanten / wateroplossingen of ionische vloeistoffen. Dit betekent dat het gebruik van sterk oxiderende of reducerende middelen kunnen worden vermeden. Stankovich et al. (2007) geproduceerd grafeen door afschilfering onder ultrasone trillingen.
AFM afbeeldingen grafeen oxide geëxpandeerd door de ultrasone behandeling bij concentraties van 1 mg / ml in water toonde altijd de aanwezigheid van platen met uniforme dikte (~ 1 nm, zoals is getoond in figuur 1 hieronder.). Deze goed afgeschilferde monsters grafeen oxide bevatte geen vellen hetzij dikker of dunner zijn dan 1 nm, wat leidt tot de conclusie dat volledige exfoliatie grafeen oxide af tot afzonderlijke vellen grafeen oxide zelfs onder deze omstandigheden werd bereikt. (Stankovich et al. 2007)

Bereiding van grafeen vellen

Stengl et al. hebben aangetoond dat de succesvolle bereiding van zuiver grafeen vellen in grote hoeveelheden tijdens de productie van stoichiometrische TiO2 grafeen nanocomposit door thermische hydrolyse suspensie met grafeen nanosheets en titania peroxo complex. De zuivere grafeen nanosheets werden geproduceerd uit natuurlijk grafiet behulp van een hoge intensiteit cavitatieveld opgewekt door Hielscher de ultrasone processor UIP1000hd in een hogedruk ultrasone reactor bij 5 bar. Het grafeen vel verkregen met een groot specifiek oppervlak en unieke elektronische eigenschappen, kan worden gebruikt als een goede ondersteuning van TiO2 met een verbeterde werking. De onderzoeksgroep stelt dat de kwaliteit van de ultrasoon bereide grafeen is veel hoger dan grafeen verkregen door methode Hummer, waar grafiet wordt geëxpandeerd en geoxideerd. De fysieke omstandigheden in de ultrasone reactor kan nauwkeurig worden geregeld en de veronderstelling dat de concentratie van grafeen als een doteermiddel in het traject van 1 varieert – 00,001%, de productie van grafeen in een continu systeem commerciële schaal is mogelijk.

Bereiden door ultrasoonbehandeling grafeen Oxide

Oh et al. (2010) lieten een bereidingsroute een ultrasone bestraling grafeen oxide (GO) lagen te produceren. Daarom gesuspendeerd zij vijfentwintig milligram grafeen oxide poeder in 200 ml gedeïoniseerd water. Door roeren verkregen zij een homogene bruine suspensie. De resulterende suspensies werden gesoniceerd (30 min, 1,3 x 105J) en na drogen (bij 373 K) het ultrasoon behandelde grafeen oxide geproduceerd. Een FTIR spectroscopie toonde aan dat de ultrasone behandeling de functionele groepen grafeen oxide veranderde.

Ultrasoon geëxpandeerd grafeen oxide nanosheets

SEM beeld van grafeen nanosheets verkregen door ultrasone: fig. 2 (Oh et al 2010).

Ultrasone synthese van grafeen met een Hielscher UIP4000hdT

UIP4000hdT – 4 kW hoog vermogen ultrasonicator

Functionalisering van Graphene Sheets

Xu en Suslick (2011) beschrijven een gemakkelijke één-staps werkwijze voor de bereiding van gefunctionaliseerde polystyreen grafiet. In hun studie, gebruikten ze grafietlamellen en styreen als basisgrondstof. Door soniceren de grafietvlokken in styreen (een reactief monomeer), de ultrasone bestraling resulteerde in de mechanochemische afschilfering van grafietvlokken in enkellaags enkele laag grafeen vel. Tegelijkertijd is de functionalisering van het grafeen vel met de polystyreenketens bereikt.
Dezelfde werkwijze kan functionalisering met andere vinylmonomeren worden uitgevoerd composieten in grafeen.

Bereiding van nanoribbons

De onderzoeksgroep van Hongjie Dai en zijn collega's van de Stanford University hebben een techniek gevonden om nanobanden te bereiden. Grafeenlinten zijn dunne stroken van grafeen die mogelijk nog handiger zijn dan grafeenvellen. Bij een breedte van ongeveer 10 nm of kleiner is het gedrag van de grafeenlinten vergelijkbaar met een halfgeleider, omdat elektronen in de lengte moeten bewegen. Daardoor zou het interessant kunnen zijn om nanobanden met halfgeleiderachtige functies in de elektronica te gebruiken (bijv. Voor kleinere, snellere computerchips).
Dai et al. bereiding van grafeen nanoribbons bases twee trappen: ten eerste losgemaakt zij lagen grafeen van grafiet door een warmtebehandeling van 1000 ° C gedurende één minuut in 3% waterstof in argon gas. Vervolgens werd het grafeen verdeeld in stroken gebruiken ultrasone trillingen. De nanoribbons verkregen volgens deze techniek worden gekenmerkt door veel ‘gladder’ randen dan die met gebruikelijke lithografische middelen. (Jiao et al. 2009)

Bereiding van Carbon Nanoscrolls

Carbon Nanoscrolls zijn vergelijkbaar met meerwandige koolstofnanobuizen. Het verschil met MWCNTs de open uiteinden en het volledige toegankelijkheid van de binnenoppervlakken aan andere moleculen. Ze kunnen nat chemisch worden gesynthetiseerd door grafiet te intercaleren met kalium, scrubben in water en sonificeren de colloïdale suspensie. (Zie Viculis et al. 2003) De ultrasone trillingen helpt het schuifvlak van het grafeen monolagen in koolstof nanoscrolls (zie fig. 3). Een hoog rendement van 80% is bereikt, dat maakt de productie van nanoscrolls interessant voor commerciële toepassingen.

Ultrasoon geassisteerde synthese koolstof nanoscrolls

Fig.3: Ultrasone Synthetische koolstof Nanoscrolls (Viculis et al. 2003)

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


grafeen Dispersies

De dispersiegraad van grafeen en grafeenoxide is uitermate belangrijk om het volledige potentieel van grafeen met zijn specifieke kenmerken te gebruiken. Als grafeen niet onder gecontroleerde omstandigheden wordt gedispergeerd, kan de polydispersiteit van grafeendispersie leiden tot onvoorspelbaar of niet-ideaal gedrag zodra het in apparaten wordt opgenomen, omdat de eigenschappen van grafeen variëren als een functie van de structurele parameters. Sonicatie is een bewezen behandeling om de krachten tussen de lagen te verzwakken en zorgt voor een nauwkeurige controle van de belangrijke verwerkingsparameters.
“Voor grafeen oxide (GO), dat typisch geëxpandeerd als enkellaagse vellen, een van de belangrijkste uitdagingen polydispersiteit voortkomt uit variaties in het zijgebied van de vlokken. Aangetoond is dat de gemiddelde laterale grootte van GO kunnen worden verschoven van 400 nm tot 20 urn door het veranderen van het grafiet uitgangsmateriaal en sonicatie omstandigheden.”(Green et al. 2010)
de ultrasone Dispergeren grafeen wat resulteert in prima en zelfs colloïdale suspensies is aangetoond in verschillende andere studies. (Liu et al. 2011 / Baby et al. 2011 / Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) hebben aangetoond dat door het gebruik van ultrasone trillingen een stabiele grafeen dispersie met een hoge concentratie van 1 mg · ml-1 en relatief zuiver grafeen vellen worden bereikt en zo bereide grafeen platen vertonen een hoge elektrische geleidbaarheid van 712 S · m-1. De resultaten van de Fourier getransformeerde infraroodspectra en Raman-spectra onderzoek bleek dat de ultrasone bereidingswijze minder schade aan de chemische en kristalstructuren grafeen.

Hoogwaardige ultrasoonapparatuur met hoge prestaties

Voor de productie van hoogwaardige grafene nano-sheets is betrouwbare ultrasone apparatuur van hoge kwaliteit nodig. Amplitude, druk en temperatuur zijn essentiële parameters, die cruciaal zijn voor de reproduceerbaarheid en consistente productkwaliteit. Hielscher Ultrasonics’ ultrasone processoren zijn krachtige en nauwkeurig regelbare systemen, die het mogelijk maken om de procesparameters exact in te stellen en continu ultrasoon geluid met een hoog vermogen te produceren. Hielscher Ultrasonics’ industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden gebruikt in 24/7 werking. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24 uur per dag, 7 dagen per week, 24 uur per dag, 7 dagen per week en in veeleisende omgevingen mogelijk.
Onze klanten zijn tevreden over de uitstekende robuustheid en betrouwbaarheid van de systemen van Hielscher Ultrasonic. De installatie in zware toepassingen, veeleisende omgevingen en 24 uur per dag, 7 dagen per week en 7 dagen per week zorgt voor een efficiënte en economische verwerking. Ultrasone procesintensivering verkort de verwerkingstijd en levert betere resultaten op, d.w.z. hogere kwaliteit, hogere opbrengsten en innovatieve producten.
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:

batch Volume Stroomsnelheid Aanbevolen apparaten
00,5 tot 1,5 ml na VialTweeter
1 tot 500 ml 10 tot 200 ml / min UP100H
10 tot 2000 ml 20 tot 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 tot 20L 0.2 tot 4L / min UIP2000hdT
10 tot 100L 2 tot 10 l / min UIP4000hdT
na 10 tot 100 l / min UIP16000
na grotere cluster van UIP16000

Neem contact met ons op / vraag om meer informatie

Praat met ons over uw verwerking eisen. We zullen de meest geschikte configuratie en bewerkingsparameters aanbevelen voor uw project.





Let op onze Privacybeleid.


Download het volledige artikel als PDF hier:
Ultrasoon bijgestaan ​​voorbereiding van grafeen


Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor dispersie, emulgatie en celextractie.

Krachtige ultrasone homogenisatoren van labo tot piloot en industriële schaal.

Literatuur / Referenties

  • Een, X .; Simmons, T .; Shah, R .; Wolfe, C .; Lewis, K. M .; Washington, M .; Nayak, S. K .; Talapatra, S .; Kar, S. (2010): Stabiele waterige dispersies van niet-covalente Gefunctionaliseerde grafeen van grafiet en hun multifunctionele high-performance applicaties. Nano Letters 10/2010. blz. 4295-4301.
  • Baby, T. Th .; Ramaprabhu, S. (2011): Verbeterde warmteoverdracht door convectie met behulp van grafeen verspreid nanovloeistoffen. Nanoscale Research Letters 6: 289 2011.
  • Klap, J. H .; Suslick, K. S. (2010): Toepassingen van Ultrasound bij de synthese van nanogestructureerde materialen. Advanced Materials 22/2010. blz. 1039-1059.
  • Choi, E. J .; Han, T. H .; Hong, J .; Kim, J. E .; Lee, S. H .; Kim, H. W .; Kim, S.O. (2010) Niet-covalente functionalisering grafeen met end-functionele polymeren. Journal of Materials Chemistry 20/2010 blz. 1907-1912.
  • Geim, A. K. (2009): Graphene: Status en vooruitzichten. Science 324/2009. blz. 1530-1534. http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0906/0906.3799.pdf
  • Groen, A. A .; Hersam, M.C. (2010) Emerging Werkwijzen voor het produceren Monodisperse grafeen dispersies. Journal of Physical Chemistry Letters 2010, blz. 544-549.
  • Guo J .; Zhu, S .; Chen, Z .; Li, Y .; Yu, Z .; Liu, Z .; Liu, Q .; Li, J .; Feng, C .; Zhang, D. (2011): Sonochemical bereiding van TiO (2 nanodeeltjes grafeen gebruikt als fotokatalysator
  • Hasan K. ul; Sandberg M. O .; Nur, O .; Willander, M. (2011): polykation stabilisatie van grafeen schorsingen. Nanoscale Research Letters 6: 493 2011.
  • Liu, X .; Pan, L .; Lv, T .; Zhu, G .; Lu, T .; Zon, Z .; Zon, C. (2011): Microgolf-ondersteunde synthese van TiO2-gereduceerde grafeen oxide composieten voor de fotokatalytische reductie van Cr (VI). RSC Advances 2011.
  • Malig, J .; Englert, J. M .; Hirsch, A .; Guldi, D. M. (2011) Nat Chemistry of grafeen. De elektrochemische Society Interface, Spring 2011. pp. 53-56.
  • Oh, W. Ch .; Chen, M. L .; Zhang, K .; Zhang, F. J .; Jang, W. K. (2010): Het effect van thermische en ultrasone behandeling op de vorming van grafeen-oxide Nanosheets. Publicatieblad van de Koreaanse Physical Society 4/56, 2010. pp. 1097-1102.
  • Sametband, M .; Shimanovich, U .; Gedanken, A. (2012): grafeen oxide microsferen bereid volgens een eenvoudige eenstaps werkwijze ultrasone trillingen. New Journal of Chemistry 36/2012. blz. 36-39.
  • Savoskin, M. V .; Mochalin, V. N .; Yaroshenko, A. P .; Lazareva, N. I .; Konstanitinova, T. E .; Baruskov, I. V .; Prokofiev, I. G. (2007): Carbon nanoscrolls geproduceerd acceptor-type grafietintercalatieverbindingen. Carbon 45/2007. blz. 2797-2800.
  • Stankovich, S .; Dikin, D. A .; Piner, R. D .; Kohlhaas, K. A .; Kleinhammes, A .; Jia, Y .; Wu, Y .; Nguyen, S. T .; Ruoff, R. S. (2007): Synthese van grafeen-gebaseerde nanosheets via chemische reductie van grafiet oxide. Carbon 45/2007. blz. 1558-1565.
  • Stengl, V .; Popelková, D .; Vláčil, P. (2011): TiO2-Graphene nanocomposiet als High Performance fotokatalysatoren. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. blz. 25209-25218.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4e Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, blz. 517-541.
  • Viculis, L. M .; Mack, J. J .; Kaner, R. B. (2003): Een chemische Route naar Carbon Nanoscrolls. Science, 299/1361; 2003.
  • Xu, H .; Suslick, K. S. (2011): Sonochemical Voorbereiding van gefunctionaliseerde Graphenes. In: Journal of American Chemical Society 133/2011. blz. 9148-9151.
  • Zhang, W .; Hij, W .; Jing, X. (2010): De bereiding van een stabiele Graphene Dispersion met hoge concentratie van Ultrasound. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. blz. 10368-10373.
  • Jiao, L .; Zhang, L .; Wang, X .; Diankov, G .; Dai, H. (2009): Narrow grafeen nanoribbons van koolstof nanobuisjes. Nature 458/2009, blz. 877-880.
  • Park, G .; Lee, K. G .; Lee, S. J .; Park, T. J .; Wi, R .; Kim, D. H. (2011): Synthese van Graphene-Gold Nanocomposieten via Sonochemical Reduction. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7/11, 2011. blz. 6095-6101.
  • Zhang, RQ; De Sakar, A. (2011): Theoretische studies over vorming, eigenschapstemming en adsorptie van grafeen-segmenten. In: M. Sergey (ed.): Fysica en toepassingen van grafeen - theorie. InTech 2011. blz. 3-28.


Feiten die de moeite waard zijn om te weten

Wat is Graphene?

Grafiet bestaat uit tweedimensionale vellen sp2-gehybridiseerde, hexagonaal aangebracht koolstofatomen - het grafeen - die regelmatig worden gestapeld. Het grafeen-atoom dunne platen, die grafiet door niet-bindingsinteracties te vormen, gekenmerkt door een extreem grote oppervlakte. Grafeen toont een buitengewone kracht en stevigheid langs de basisniveaus die bij ca bereikt. 1020 GPa bijna de kracht waarde van de diamant.
Grafeen het constructiebasiselement sommige allotropen waaronder, naast grafiet, ook fullerenen en koolstofnanobuizen. Gebruikt als additief, kan grafeen drastisch verbeteren van de elektrische, fysische, mechanische en barrière-eigenschappen van polymeercomposieten bij extreem lage belasting. (Xu, Suslick 2011)
Door zijn eigenschappen is grafeen een materiaal van superlatieven en daardoor veelbelovend voor industrieën die composieten, coatings of micro-elektronica produceren. Geim (2009) beschrijft grafeen als kernmateriaal kernachtig in de volgende paragraaf:
"Het is het dunste materiaal in het universum en de sterkste ooit gemeten. De ladingsdragers vertonen een gigantische intrinsieke mobiliteit, hebben de kleinste effectieve massa (het is nul) en kunnen micrometer-lange afstanden overbruggen zonder verstrooiing bij kamertemperatuur. Grafeen kan stroomdichtheden ondersteunen die 6 orders hoger zijn dan koper, toont een warmtegeleidingsvermogen en stijfheid, is ondoordringbaar voor gassen en verzoent dergelijke tegenstrijdige kwaliteiten zoals broosheid en taaiheid. Elektronenvervoer in grafeen wordt beschreven door een Dirac-achtige vergelijking, die het onderzoek van relativistische kwantumfenomenen in een bench-top-experiment mogelijk maakt. "
Vanwege de aard van deze uitstekende materiaal, grafeen is een van de meest veelbelovende materialen en staat in het brandpunt van nanomateriaal onderzoek.

Potentiële toepassingen voor grafeen

Biologische toepassingen: een voorbeeld voor de bereiding van ultrasoon grafeen en het biologische gebruik ervan wordt gegeven in de studie "Synthese van grafeen-goud-nanocomposieten via Sonochemical Reduction" door Park et al. (2011), waarbij een nanocomposiet uit gereduceerde grafeenoxide-goud (Au) nanodeeltjes werd gesynthetiseerd door gelijktijdig de goudionen te reduceren en tegelijkertijd goudnanodeeltjes op het oppervlak van het gereduceerde grafeenoxide af te zetten. Om de reductie van goudionen en de generatie van zuurstoffunctionaliteiten voor het verankeren van de gouden nanodeeltjes op het gereduceerde grafeenoxide te vergemakkelijken, werd ultrageluidbestraling toegepast op het mengsel van reactanten. De productie van met goudbindende peptiden gemodificeerde biomoleculen toont het potentieel van ultrasone bestraling van grafeen en grafeencomposieten. Daarom lijkt echografie een geschikt hulpmiddel om andere biomoleculen te bereiden.
Elektronica: Grafeen is een zeer functioneel materiaal voor de elektronische sector. Door de hoge mobiliteit van de ladingsdragers binnen raster de grafeen, grafeen is van de hoogste belang zijn voor de ontwikkeling van snelle elektronische componenten in de hoge-frequentie-technologie.
Sensoren: De ultrasoon afgeschilferde grafeen kan worden gebruikt voor de productie van zeer gevoelige en selectieve conductometrische sensoren (waarvan de weerstand verandert snel >10 000% verzadigd ethanol damp) en ultracapaciteiten met extreem hoge soortelijke capaciteit (120 F / g), vermogensdichtheid (105 kW / kg) en energiedichtheid (9,2 Wh / kg). (An et al. 2010)
Alcohol: Voor de productie van alcohol: Een zijtoepassing kan het gebruik van grafeen in de alcohol productie, daar grafeen membranen kunnen worden gebruikt om alcohol destilleren en daardoor alcoholische dranken versterken.
De sterkste, elektrisch geleidend en één van de lichtste en meest flexibele materialen, grafeen een veelbelovend materiaal voor zonnecellen, katalyse, transparante en emissieve displays, micromechanische resonatoren, transistors, als kathode lithium-lucht-batterijen, voor ultragevoelige chemische detectoren geleidende bekledingen alsmede het gebruik als additief verbindingen.

Het werkingsprincipe van High Power Ultrasound

Bij het soniseren van vloeistoffen met hoge intensiteiten, resulteren de geluidsgolven die zich voortplanten in de vloeibare media in wisselende hogedruk (compressie) en lage druk (verdunning) cycli, met snelheden die afhankelijk zijn van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de bellen een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen opnemen, vallen ze hevig in elkaar tijdens een hoge drukcyclus. Dit fenomeen wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden zeer hoge temperaturen (ongeveer 5.000K) en drukken (ongeveer 2.000 atm) lokaal bereikt. De implosie van de cavitatie bubble resulteert ook in vloeibare stralen tot 280m / s snelheid. (Suslick 1998) De ultrasoon opgewekte cavitatie veroorzaakt chemische en fysische effecten, die kunnen worden toegepast om processen.
Cavitatie-geïnduceerde sonochemistry biedt een unieke wisselwerking tussen energie en materie, met hot spots in de bubbels van ~ 5000 K, druk van ~ 1000 bar, verwarming en koeling tarieven van de >1010K s-1; deze bijzondere voorwaarden toegang te verlenen tot een reeks chemische reactieruimte normaliter niet toegankelijk zijn, waardoor voor de synthese van een grote verscheidenheid van ongebruikelijke nanogestructureerde materialen. (Bang 2010)