Grafeen peeling op waterbasis
Ultrasone exfoliatie maakt het mogelijk om grafeen van enkele lagen te produceren zonder het gebruik van agressieve oplosmiddelen en met alleen zuiver water. High-power sonicatie delamineert grafeenvellen binnen een korte behandeling. Het vermijden van solventen maakt van grafeenexfoliatie een groen, duurzaam proces.
Grafeenproductie via vloeibare fase-exfoliatie
Grafeen wordt commercieel vervaardigd via zogenaamde vloeibare fase-exfoliatie. Vloeistoffase-exfoliatie van grafeen vereist het gebruik van giftige, milieuonvriendelijke en dure oplosmiddelen, die worden gebruikt als chemische voorbehandeling of in combinatie met/bij een mechanische dispersietechniek. Voor de mechanische dispersie van de grafeenvellen is ultrasoonbehandeling een uiterst betrouwbare, efficiënte en veilige techniek gebleken om grafeenvellen van hoge kwaliteit in grote hoeveelheden te produceren op volledig industrieel niveau. Aangezien het gebruik van agressieve solventen altijd gepaard gaat met kosten, verontreiniging, complexe verwijdering, veiligheidsrisico's en milieubelasting, is een niet-toxisch en veiliger alternatief een groot voordeel. Grafeen-exfoliatie met water als oplosmiddel en ultrageluid voor mechanische delaminatie van grafeenlagen is daarom een veelbelovende techniek voor een groene grafeenproductie.
Gangbare oplosmiddelen, die vaak worden gebruikt als vloeistoffase om grafeennanosheets te dispergeren, zijn dimethylsulfoxide (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidon (NMP), tetramethylureum (TMU), tetrahydrofuraan (THF), propyleencarbonaataceton (PC), ethanol, en formamide.
Als reeds lang bestaande techniek voor grafeenexfoliatie op commerciële schaal maakt ultrasone exfoliatie de productie mogelijk van hoogwaardig grafeen met een hoge zuiverheid tegen lage kosten. Aangezien ultrasone grafeenexfoliatie volledig lineair kan worden opgeschaald naar elk volume, kan het productierendement van hoogwaardige grafeenvlokken gemakkelijk worden toegepast voor massaproductie van grafeen.
De UIP2000hdT is een 2kW krachtige ultrasone dispergeermachine voor grafeen exfoliatie en dispersie.
Ultrasone afschilfering van grafeen in water
Tyurnina et al. (2020) onderzochten de effecten van amplitude en sonicatie-intensiteit op zuiver water-grafietoplossingen en de resulterende grafeenexfoliatie. In de studie gebruikten zij een Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultrasone exfoliatie met behulp van water werd toegepast als een enkele stap proces voor enkele laag grafeen delaminatie. Een korte behandeling van 2 uur was voldoende om enkele lagen grafeen te produceren in een open bekerglas sonicatie opstelling.
Een reeks ultrasnelle beelden (van a tot f) ter illustratie van de sono-mechanische exfoliatie van een grafietvlok 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 cavitatiebelletjes die in de splitsing doordringen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Optimalisatie van ultrasone grafeen-exfoliatie
De ultrasone opstelling gebruikt door Tyurnina et al. (2020) kan gemakkelijk worden geoptimaliseerd voor meer efficiëntie en snellere exfoliatie met behulp van een gesloten ultrasone reactor in flow-through mode. Ultrasone inline behandeling zorgt voor een aanzienlijk meer uniforme ultrasone behandeling van alle grafiet grondstof: het voeden van het grafiet / water oplossing direct in de afgesloten ruimte van ultrasone cavitatie, wordt alle grafiet uniform sonicated resulteert in een hoge opbrengst van hoge kwaliteit grafeen vlokken.
Hielscher ultrasoon 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 ultrasonicatie de afschilfering van grafeen
Wanneer ultrageluidsgolven met hoog vermogen worden gekoppeld aan een slurry van grafietpoeder en water of een ander oplosmiddel, ontstaan door sonomechanische krachten zoals hoge afschuiving, intense turbulenties en hoge druk- en temperatuurverschillen, energie-intensieve omstandigheden. Deze energie-intensieve omstandigheden zijn het resultaat van het fenomeen van akoestische cavitatie. Lees hier meer over ultrasone cavitatie!
Het ultrageluid brengt de expansie van het grafietpoeder op gang, aangezien vloeistoffen worden geperst tussen de grafeenlagen waaruit grafiet is opgebouwd. De ultrasone afschuifkrachten delamineren de afzonderlijke grafeenlagen en verspreiden deze als grafeenvlokken in de oplossing. Om grafeen op lange termijn stabiel te houden in water, is een oppervlakte-actieve stof nodig.
Mechnisme van ultrasone vloeibare fase exfoliatie van grafeen exfoliatie.
Studie en foto door Tyurnina et al., 2021.
Ultrasoonmachines met hoge prestaties voor grafeen-exfoliatie
De slimme functies van Hielscher ultrasoonapparaten zijn ontworpen om een betrouwbare werking, reproduceerbare resultaten en gebruiksvriendelijkheid te garanderen. Operationele instellingen kunnen eenvoudig worden opgeroepen en gekozen via een intuïtief menu, dat toegankelijk is via een digitaal kleuren touch-display en browser-afstandsbediening. Alle verwerkingscondities zoals netto energie, totale energie, amplitude, tijd, druk en temperatuur worden automatisch geregistreerd op een ingebouwde SD-kaart. Hierdoor kunt u eerdere sonicatieruns herzien en vergelijken en het grafeenexfoliatieproces optimaliseren tot de hoogste efficiëntie.
Hielscher ultrasoon systemen worden wereldwijd gebruikt voor de productie van hoogwaardige grafeenvellen en grafeenoxiden. Hielscher industriële ultrasooninstallaties kunnen gemakkelijk hoge amplitudes in continubedrijf (24/7/365) draaien. Amplitudes tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden gegenereerd met standaard sonotrodes (ultrasone sondes / hoorns en cascatrodesTM). Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotrodes beschikbaar. Door hun robuustheid en lage onderhoudskosten worden onze ultrasone peelingsystemen algemeen geïnstalleerd voor zware toepassingen en in veeleisende omgevingen.
Hielscher ultrasone processoren voor grafeenexfoliatie 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!
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:
| batch Volume | Stroomsnelheid | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 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 ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispersie, emulsificatie en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- 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.
Feiten die de moeite waard zijn om te weten
Grafeen
Grafeen is een monolaag van sp2-gebonden koolstofatomen. Grafeen biedt unieke eigenschappen van het materiaal, 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 elektronengeleidingsvermogen (kamertemperatuur elektronenmobiliteit van 2,5 x 105 cm2 V-1s-1), Zeer hoge thermische geleidbaarheid (boven 3000 W m K-1), De belangrijkste eigenschappen te noemen. Door zijn uitstekende materiaaleigenschappen wordt grafeen intensief gebruikt in de ontwikkeling en productie van high performance batterijen, brandstofcellen, zonnecellen, supercondensator, waterstof opslag, elektromagnetische schilden en elektronische apparaten. Bovendien is grafeen opgenomen in vele nanocomposieten en samengestelde materialen versterkingsadditief, b.v. in polymeren, keramiek en metaal matrices. Door zijn hoge geleidbaarheid, grafeen is een belangrijk onderdeel van geleidende verf en inkt.
De snelle en veilige ultrasone bereiding van foutloze grafeen bij grote volumes tegen lage kosten mogelijk maakt voor de verbreding van de toepassingen van grafeen om meer en meer industrieën.
Grafeen is een één-atomige laag koolstof, die kan worden beschreven als een enkellaagse of 2D-structuur van grafeen (eenlagig grafeen = SLG). Grafeen heeft een buitengewoon groot specifiek oppervlak en superieure mechanische eigenschappen (Young's modulus van 1 TPa en intrinsieke sterkte van 130 GPa), biedt grote elektronische en thermische geleidbaarheid, ladingdraaggolfmobiliteit, transparantie en is ondoordringbaar voor gassen. Vanwege deze materiaaleigenschappen wordt grafeen als versterkend additief gebruikt om composieten de sterkte, geleidbaarheid, enz. Te geven. Om de eigenschappen van grafeen met andere materialen te combineren, moet grafeen in de verbinding worden gedispergeerd of als een dunne film coating worden aangebracht. op een substraat.
Hoogwaardige ultrasonica! Het productassortiment van Hielscher bestrijkt het volledige spectrum van de compacte ultrasone labo's over bench-top units tot volledig industriële ultrasone systemen.