Grafeenrubbering op waterbasis
Met ultrasone exfoliatie kan grafeen met enkele lagen worden geproduceerd zonder gebruik te maken van agressieve oplosmiddelen, waarbij alleen zuiver water wordt gebruikt. Krachtige sonicatie delamineert grafeenvellen binnen een korte behandeling. Het vermijden van oplosmiddelen maakt van grafeen scrubben een groen, duurzaam proces.
Grafeenproductie via vloeistoffase-exfoliatie
Grafeen wordt commercieel vervaardigd via zogenaamde vloeibare fase exfoliatie. Vloeibare fase exfoliatie van grafeen vereist het gebruik van giftige, milieubelastende en dure oplosmiddelen, die worden gebruikt als chemische voorbehandeling of in combinatie met/met een mechanische dispersietechniek. Voor de mechanische dispersie van de grafeenvellen is ultrasoonbehandeling een zeer betrouwbare, efficiënte en veilige techniek gebleken om grafeenvellen van hoge kwaliteit in grote hoeveelheden op volledig industrieel niveau te produceren. Aangezien het gebruik van agressieve oplosmiddelen altijd gepaard gaat met kosten, verontreiniging, complexe verwijdering en opruiming, veiligheidsproblemen en milieubelasting, is een niet-toxisch en veiliger alternatief aanzienlijk voordeliger. Grafeen exfoliatie met water als oplosmiddel en ultrageluid voor mechanische delaminatie van enkele lagen grafeenvellen is daarom een veelbelovende techniek voor een groene productie van grafeen.
Gangbare oplosmiddelen, die vaak worden gebruikt als vloeibare fase om grafeennanosheets te dispergeren, zijn onder andere dimethylsulfoxide (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), tetramethylureum (TMU), tetrahydrofuraan (THF), propyleencarbonaataceton (PC), ethanol en formamide.
Ultrasoontechniek is al lange tijd een gevestigde techniek voor de exfoliatie van grafeen op commerciële schaal en maakt het mogelijk om tegen lage kosten zeer zuiver grafeen van hoge kwaliteit te produceren. Omdat ultrasone grafeenexfoliatie volledig lineair kan worden geschaald naar elk volume, kan de productieopbrengst van grafeenvlokken van hoge kwaliteit gemakkelijk worden geïmplementeerd voor massaproductie van grafeen.
De UIP2000hdT is een krachtige ultrasone dispergeerder van 2kW. voor grafeenexfoliatie en -dispersie.
Ultrasone afschilfering van grafeen in water
Tyurnina et al. (2020) onderzochten de effecten van amplitude en sonicatie-intensiteit op zuivere water-grafietoplossingen en de resulterende grafeenexfoliatie. In het onderzoek gebruikten ze een Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultrasone exfoliatie met water werd toegepast als een eenstapsproces voor delaminatie van enkele lagen grafeen. Een korte behandeling van 2 uur was voldoende om een paar lagen grafeen te produceren in een open beker sonicatieopstelling.
Een reeks beelden op hoge snelheid (van a tot f) ter illustratie van de sonomexfoliatie van een grafietschilfer in water met behulp van de UP200s, een 24 kHz ultrasoonapparaat met een sonotrode van 3 mm. Pijlen tonen de plaats van splitsing (exfoliatie) met cavitatiebellen die de splitsing binnendringen.
© Tyurnina et al., 2020
Optimalisatie van ultrasone grafeenafschilfering
De ultrasone opstelling die Tyurnina et al. (2020) gebruikten, kan eenvoudig worden geoptimaliseerd voor meer efficiëntie en snellere exfoliatie door een gesloten ultrasone reactor in doorstroommodus te gebruiken. Ultrasone inline behandeling maakt een aanzienlijk uniformere ultrasone behandeling van alle grafietgrondstof mogelijk: door de grafiet/wateroplossing direct in de afgesloten ruimte van de ultrasone cavitatie te voeren, wordt al het grafiet uniform gesoneerd, wat resulteert in een hoge opbrengst van grafeenvlokken van hoge kwaliteit.
Hielscher ultrasone systemen maken een nauwkeurige regeling mogelijk van alle belangrijke verwerkingsparameters zoals amplitude, tijd/retentie, energie-input (Ws/mL), druk en temperatuur. Het instellen van de optimale ultrasoonparameters resulteert in de hoogste opbrengst, kwaliteit en algehele efficiëntie.
Hoe bevordert ultrasoonbehandeling de afschilfering van grafeen?
Wanneer ultrageluidsgolven met een hoog vermogen worden gekoppeld in een slurry van grafietpoeder en water of een ander oplosmiddel, creëren sonomechanische krachten zoals hoge afschuiving, intense turbulentie en hoge druk- en temperatuurverschillen energie-intensieve omstandigheden. Deze energie-intensieve omstandigheden zijn het resultaat van het fenomeen akoestische cavitatie.
Lees hier meer over ultrasone cavitatie!
Het ultrageluid zet het uitzetten van het grafietpoeder in gang, omdat vloeistoffen tussen de lagen grafeen worden geperst, waaruit grafiet is opgebouwd. De ultrasone schuifkrachten delamineren de afzonderlijke vellen grafeen en dispergeren ze als grafeenvlokken in de oplossing. Om langdurige stabiliteit van grafeen in water te verkrijgen, is een oppervlakteactieve stof nodig.
Mechanisme van ultrasone vloeibare fase exfoliatie van grafeen exfoliatie.
Studie en foto door Tyurnina et al., 2021.
Ultrasoonapparaten met hoge prestaties voor grafeenafschilfering
De slimme functies van Hielscher ultrasoonapparaten zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. De operationele instellingen zijn eenvoudig toegankelijk en instelbaar via een intuïtief menu dat toegankelijk is via het digitale kleuren touch-display en de browser-afstandsbediening. Daarom worden alle verwerkingscondities zoals netto-energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur automatisch opgeslagen op een ingebouwde SD-kaart. Hierdoor kunt u eerdere sonicatieruns herzien en vergelijken en het grafeenexfoliatieproces optimaliseren voor de hoogste efficiëntie.
Hielscher ultrasone systemen worden wereldwijd gebruikt voor de productie van hoogwaardige grafeenplaten en grafeenoxiden. Hielscher industriële ultrasone systemen kunnen gemakkelijk hoge amplitudes in continu bedrijf (24/7/365) leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gegenereerd met standaard sonotrodes (ultrasone sondes / hoorns en cascatrodenTM). Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotroden beschikbaar. Vanwege hun robuustheid en lage onderhoudskosten worden onze ultrasone exfoliatiesystemen vaak geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Hielscher ultrasone processors voor het exfoliëren van grafeen zijn wereldwijd al op commerciële schaal geïnstalleerd. Neem nu contact met ons op om uw grafeenproductieproces te bespreken! Onze ervaren medewerkers geven u graag meer informatie over het exfoliatieproces, de ultrasone systemen en de prijzen!
Klik hier voor meer informatie over ultrasone synthese, dispersie en functionalisatie van grafeen:
- Productie van grafeen
- Grafeen Nanoplaatjes
- Grafeenrubbering op waterbasis
- Waterdispergeerbaar grafeen
- grafeenoxide
- xenes
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Wat is grafeen?
Grafeen is een monolaag van sp2-gebonden koolstofatomen. Grafeen heeft unieke materiaaleigenschappen zoals een buitengewoon groot specifiek oppervlak (2620 m2g-1), superieure mechanische eigenschappen met een elasticiteitsmodulus van 1 TPa en een intrinsieke sterkte van 130 GPa, een extreem hoge elektronische geleidbaarheid (elektronenmobiliteit bij kamertemperatuur 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), zeer hoge thermische geleidbaarheid (meer dan 3000 W m K-1), om de belangrijkste eigenschappen te noemen. Vanwege de superieure materiaaleigenschappen wordt grafeen veel gebruikt bij de ontwikkeling en productie van hoogwaardige batterijen, brandstofcellen, zonnecellen, supercondensatoren, waterstofopslag, elektromagnetische schilden en elektronische apparaten. Bovendien wordt grafeen in veel nanocomposieten en composietmaterialen verwerkt als versterkend additief, bijvoorbeeld in polymeren, keramiek en metaalmatrices. Vanwege het hoge geleidingsvermogen is grafeen een belangrijk bestanddeel van geleidende verf en inkt.
De snelle en veilige ultrasone bereiding van defectvrij grafeen in grote volumes tegen lage kosten maakt het mogelijk om de toepassingen van grafeen uit te breiden naar steeds meer industrieën.
Grafeen is een koolstoflaag van één atoom dik, die kan worden beschreven als een éénlaagse of 2D-structuur van grafeen (single layer graphene = SLG). Grafeen heeft een buitengewoon groot specifiek oppervlak en superieure mechanische eigenschappen (elasticiteitsmodulus van 1 TPa en intrinsieke sterkte van 130 GPa), biedt een grote elektronische en thermische geleidbaarheid, mobiliteit van ladingsdragers, transparantie en is ondoordringbaar voor gassen. Vanwege deze materiaaleigenschappen wordt grafeen gebruikt als versterkend additief om composieten hun sterkte, geleidbaarheid, enz. te geven. Om de eigenschappen van grafeen te combineren met andere materialen, moet grafeen worden gedispergeerd in de samenstelling of wordt het als dunne filmlaag op een substraat aangebracht.
Ultrasoon systeem met hoge prestaties! Het productassortiment van Hielscher bestrijkt het volledige spectrum van compacte laboratorium-ultrasoneersystemen over werkbankmodellen tot volledig industriële ultrasone systemen.