Technologia ultradźwiękowa firmy Hielscher

Preperowanie grafenu ultradźwiękiem

Grafen

Grafit jest złożona z dwóch arkuszy wymiarowych SP2 hybrydyzowano, heksagonalnie ułożonych atomów węgla - w grafenu - które są regularnie ułożonych. Atom cienkich arkuszy, GRAPHENE, który tworzą grafit oddziaływaniami niewiążącym, charakteryzują się skrajnie na większej powierzchni. Grafen wykazuje niezwykłą wytrzymałość i sztywność wzdłuż jej podstawowych poziomów, które dociera do ok. 1020 GPa prawie wartość wytrzymałości diamentu.
Graphene jest podstawowym elementem strukturalnym niektórych allotropes tym, oprócz grafitu także nanorurki węglowe i fulereny. Stosuje się jako dodatek, może znacznie zwiększyć graphene elektrycznych, fizyczne i mechaniczne i właściwości barierowe dla kompozytów polimerowych w bardzo niskich obciążeniach. (Xu, Suslick 2011)
Ze względu na swoje właściwości grafen jest materiałem o doskonałych właściwościach, a tym samym obiecującym dla branż, które produkują kompozyty, powłoki lub mikroelektronikę. Geim (2009) opisuje grafen jako zwięzły supermaterialny w następującym akapicie:
„Jest to najcieńszy materiał we wszechświecie i najsilniejszy kiedykolwiek zmierzyć. Jego nośniki ładunku wykazuje olbrzymi samoistną ruchliwość mają najmniejszą skuteczną masy (to jest zero) i mogą przemieszczać mikrometra długie odległości, bez rozpraszania w temperaturze pokojowej. Graphene może wytrzymać gęstości prądu 6 rzędów wyższe niż miedź pokazuje zapis przewodność cieplną i sztywność, jest nieprzepuszczalna dla gazów, a z nim zgodne tych sprzecznych cechy jak łamliwość i plastyczność. Transport elektronów w grafenu jest opisana przez równanie Diraca-podobnego, który umożliwia dochodzenie relatywistycznych zjawisk kwantowych w bench-top eksperymentu.”
Ze względu na charakterystykę owych wyróżniających Materiał jest, grafen jest jednym z najbardziej obiecujących materiałów i stoi w centrum zainteresowania badań nanomateriałów.

Graphene consists in carbon atoms which are arranged in a regular hexagonal pattern. i

Ze względu na swoją wyjątkową wytrzymałość materiału i jędrności, grafen jest najbardziej obiecujących materiałów w nauce nano. © 2010AlexanderAIUS CreativeCommons 2010

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


USG o dużej mocy

Podczas rozchodzenia się cieczy o wysokiej intensywności fale dźwiękowe, które rozprzestrzeniają się w cieczach, powodują naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresji) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie), z szybkościami zależnymi od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia, ultradźwiękowe fale o dużej intensywności wytwarzają małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie w cieczy. Kiedy bąbelki osiągają objętość, przy której nie mogą już absorbować energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to nazywane jest kawitacją. Podczas implozji osiągane są lokalnie bardzo wysokie temperatury (ok. 5000K) i ciśnienia (ok. 2000atm). Implozja kawitacja Bańka skutkuje również strumieniami cieczy do 280m / s prędkości. (Suslick 1998) Wytwarzany za pomocą ultradźwięków kawitacji powoduje reakcje chemiczne i fizyczne, które mogą być stosowane do procesów.
Kawitację indukowaną przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia). zapewnia unikalny interakcji pomiędzy energią i znaczenia, z gorących miejsc wewnątrz pęcherzyków wynosi około 5000 K, ciśnienie wynosi około 1000 barów, ogrzewania i chłodzenia stopy >1010K a-1; Te wyjątkowe warunki pozwalają na dostęp do wielu chemicznych przestrzeni reakcyjnej zwykle niedostępnych, co pozwala na syntezę różnych nietypowych materiałów nanostrukturalnych. (Bang 2010)

High power ultrasound generates intense cavitational forces in liquid

Kawitacji ultradźwiękowej w płynie

Ultradźwiękowy Wytwarzanie grafenu

Ponieważ znane są niezwykłe właściwości grafitu, opracowano kilka metod jego przygotowania. Oprócz chemicznej produkcji grafenów z tlenku grafenu w wieloetapowych procesach, dla których potrzebne są bardzo silne środki utleniające i redukujące. Dodatkowo, grafen wytworzony w tych trudnych warunkach chemicznych często zawiera dużą ilość defektów nawet po redukcji w porównaniu do graphenów uzyskanych z innych metod. Jednak ultradźwięki są sprawdzoną alternatywą do produkcji wysokiej jakości grafenu, również w dużych ilościach. Naukowcy opracowali nieco inne metody za pomocą ultradźwięków, ale generalnie produkcja grafenu jest prostym procesem jednoetapowym.
Aby dać przykład określonej drogi produkcji graphene grafit dodaje się do mieszaniny rozcieńczonego kwasu organicznego, alkoholu i wody, a następnie mieszanina jest narażony na ultradźwięków. Kwas działa jako “klin cząsteczkowej” która oddziela arkuszy grafenu z grafitu macierzystego. Dzięki tej prostej procesu wytwarzana jest duża ilość nieuszkodzonym wysokiej jakości grafenu rozproszoną w wodzie. (An i wsp. 2010)

Hielscher covers the full range from compact lab ultrasonicators to bench-top size and full commercial production size systems.

Wydajne i niezawodne urządzenia ultradźwiękowe z różnorodnych zastosowań, takich jak homogenizowanie, ekstrakcja nano obróbki materiału, z sonochemii.

Grafen bezpośrednie Złuszczanie

Ultradźwięków pozwala na przygotowanie graphenes w rozpuszczalnikach organicznych, środków powierzchniowo czynnych, roztwory wodne / lub cieczach jonowych. Oznacza to, że stosowanie silnych środków utleniających lub redukujących można uniknąć. Stankovich i in. (2007), produkowany grafenu przez złuszczanie pod ultradźwiękami.
Obrazy AFM tlenku grafenu eksfoliowanego przez ultradźwięków w stężeniu 1 mg / ml w wodzie zawsze wykazała obecność blach o jednolitej grubości (~ 1 nM, przykład pokazano na Fig 1, poniżej.). Te dobrze złuszczone próbki tlenku grafenu zawarty żaden arkusz albo grubszy lub cieńszy niż 1 nm, co prowadzi do wniosku, że całkowite rozwarstwienie tlenku grafenu na poszczególne arkusze tlenku graphene rzeczywiście uzyskuje się w tych warunkach. (Stankovich i wsp., 2007),

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

Rys. 1: obraz AFM złuszczonych arkuszy iść z trzech profili wysokości nabytych w różnych lokalizacjach (Stankovich et al 2007).

Wytwarzanie arkuszy GRAPHENE

Stengl i in. wykazały pomyślne wytwarzanie czystych arkuszy grafenu w dużych ilościach podczas produkcji nonstoichiometric TiO2 grafenu nanocomposit drogą hydrolizy termicznej zawiesiny nanosheets grafenu nadtlenowe tytanu i skomplikowane. Czyste nanosheets grafenowe wytworzono z grafitu naturalnego za pomocą pola o dużym natężeniu generowane kawitacji ultradźwiękowej przez procesor w Hielscher UIP1000hd w wysokociśnieniowym reaktorze ultradźwiękowej na 5 bar. Arkusze grafenu uzyskane, o wysokiej powierzchni właściwej i unikalne właściwości elektronicznych, mogą być używane jako dobre wsparcie dla TiO2 do zwiększenia aktywności fotokatalitycznej. Zespół badawczy wnosi jakość wytworzonego grafenu ultradźwięków jest znacznie wyższa niż grafenu uzyskanego metodą na młot, gdzie grafit eksfoliowanego i utlenionym. Ponieważ warunki fizyczne w ultradźwiękowej reaktora może być dokładnie kontrolowana i przy założeniu, że stężenie grafenu jako domieszki będzie zmieniać się w zakresie od 1 – 00,001%, wytwarzanie grafenu w sposób ciągły systemu, w skala handlowa jest możliwe.

Preparat według ultradźwięków grafenu tlenku

Oh i wsp. (2010) wykazały, że drogę wytwarzania z użyciem ultradźwięków w celu wytworzenia tlenku grafenu (GO) warstwy. W związku z tym, że zawiesza się dwadzieścia pięć miligramów proszku tlenku graphene w 200 ml dejonizowanej wody. Mieszając je otrzymano niejednorodną brązową zawiesinę. Powstałe zawiesiny działaniu ultradźwięków (30 minut, 1,3 x 105J) i po wysuszeniu (przy 373 K) poddano działaniu ultradźwięków tlenek graphene został wyprodukowany. Spektroskopia FTIR wykazała, że ​​obróbka ultradźwiękowa nie zmienia grupy funkcyjne tlenku grafenu.

Ultrasonically exfoliated graphene oxide nanosheets

Fig. 2 Obraz SEM nanosheets grafenu uzyskanych ultradźwiękami (Oh ​​i wsp 2010).

Funkcjonalizację arkuszy grafenu

Xu i Suslick (2011) opisują dogodnego sposobu jednoetapowego wytwarzania polistyrenowej funkcjonalizowanej grafitu. W ich badaniu, że stosuje się płatki grafitu i styren jako podstawowego surowca. Przez sonikację płatków grafitu styren (reaktywny monomer), napromienianie ultradźwięków spowodowało mechanochemicznego złuszczania płatków grafitu w jednowarstwowej arkuszy grafenu kilka warstwowych. Jednocześnie Funkcjonalizację arkuszy grafenu z łańcuchów polistyrenowych został osiągnięty.
Ten sam proces funkcyjnych może być przeprowadzona z innymi monomerami winylowymi z kompozytów na osnowie grafenu.

Wytwarzanie nanowstążki

Grupa badawcza Hongjie Dai i jego współpracownicy z Uniwersytetu Stanforda odkryli technikę przygotowania nanorobków. Wstążki grafenowe są cienkimi paskami grafenu, które mogą mieć jeszcze bardziej przydatne cechy niż arkusze grafenowe. Przy szerokościach około 10 nm lub mniejszych zachowanie się wstęg grafenowych jest podobne do półprzewodnika, ponieważ elektrony są zmuszone poruszać się wzdłużnie. W związku z tym interesujące może być wykorzystanie nanorobków z funkcjami półprzewodnikowymi w elektronice (np. Dla mniejszych, szybszych chipów komputerowych).
Dai i in. Wytwarzanie nanowstążki grafenowe zasad w dwóch etapach: Po pierwsze, poluzowaniu warstw grafenu z grafitu za pomocą obróbki cieplnej w 1000 ° C przez jedną minutę w 3% wodoru w atmosferze argonu. Następnie graphene zostało podzielone na paski wykorzystaniem ultrasonikacji. Uzyskane tą techniką nanowstążki charakteryzują się znacznie „gładsze’ Krawędzie niż te, które za pomocą konwencjonalnych środków litograficznych. (Jiao i in., 2009)

Wytwarzanie Nanoscrolls węglowe

Nanoscrolls węgla są podobne do wielościennych nanorurek węglowych. Różnica w stosunku do MWCNTs jest otwarte końcówki i pełną dostępność wewnętrznych powierzchni do innych cząsteczek. można je syntetyzować chemicznie na mokro przez interkalację grafitu potasu, złuszczania się w wodzie i ultradźwiękami zawiesinę koloidalną. (Por Viculis i wsp. 2003) ultradźwięki pomaga przewijanie się monowarstwy grafenu język nanoscrolls węgla (patrz rys. 3). Wysoka wydajność konwersji 80%, został osiągnięty, co sprawia, że ​​wytwarzanie nanoscrolls interesujących dla zastosowań komercyjnych.

Ultrasonically assisted synthesis of carbon nanoscrolls

Fig.3: ultradźwiękowe synteza węgla Nanoscrolls (Viculis i wsp 2003).

Grafen Dyspersji

Stopień dyspersji grafenu i tlenku grafenu jest niezwykle ważny, aby wykorzystać pełen potencjał grafenu o jego specyficznych właściwościach. Jeśli grafen nie jest rozproszony w kontrolowanych warunkach, polidyspersyjność dyspersji grafenowej może prowadzić do nieprzewidywalnego lub nieidealnego zachowania po włączeniu do urządzeń, ponieważ właściwości grafenu różnią się w zależności od jego parametrów strukturalnych. Sonikacja to sprawdzona metoda osłabiania sił międzywarstwowych i pozwala na dokładną kontrolę ważnych parametrów przetwarzania.
„Tlenek grafenu (GO), która jest zwykle eksfoliowanego jak arkusze jednowarstwowe, jednym z głównych wyzwań polidyspersyjności wynika z różnic w obszarze bocznych płatków. Wykazano, że średnia wielkość GO poprzeczne mogą być przesuwane od 400 nm do 20 urn, zmieniając substrat grafitowy i warunków ultradźwięków.”(Green i in., 2010)
ultradźwiękowy Dyspersacja grafenu powodując dobrą i równą koloidalnych zawiesin wykazano w wielu innych badaniach. (Liu i wsp. 2011 / niemowląt i wsp. 2011 / Choi i wsp. 2010)
Zhang i in. (2010) wykazali, że poprzez zastosowanie ultradźwięki trwałą dyspersję graphene o wysokim stężeniu 1 mg · ml-1 i względnie czyste arkusze grafenowe zostały osiągnięte, a jako przygotowane arkusze grafenowe wykazują wysoką przewodność elektryczną 712 S · m-1, Wyniki transformacji Fouriera widma podczerwieni i widma Ramana badania wykazały, że sposób ultradźwiękowy preparat ma mniejsze uszkodzenia struktur chemicznych i kryształowych grafenu.

Potencjalne aplikacje

Zastosowania biologiczne: Przykład ultradźwiękowego przygotowania grafenu i jego biologicznego zastosowania podano w pracy "Synteza nanokompozytów grafenowo-złotowych przez redukcję sonochemiczną" według Park et al. (2011), w którym nanokompozyt z nanocząstek zredukowanego tlenku grafenu - złogów (Au) został zsyntetyzowany przez jednoczesne zredukowanie jonów złota i nanoszenie złotych nanocząstek na powierzchnię zredukowanego tlenku grafenu jednocześnie. Aby ułatwić redukcję jonów złota i wytwarzanie tlenowych grup funkcyjnych do kotwiczenia nanocząstek złota na zredukowanym tlenku grafenu, napromienianie ultradźwiękami zastosowano do mieszaniny reagentów. Wytwarzanie biomolekuł modyfikowanych związkami złota wiąże się z potencjałem napromieniowania ultradźwiękowego kompozytów grafenowych i grafenowych. Dlatego wydaje się, że ultradźwięki są odpowiednim narzędziem do przygotowania innych biomolekuł.
Elektronika: Grafen to materiał wysoce funkcjonalne dla branży elektronicznej. Przez wysokiej ruchliwości nośników ładunku wewnątrz siatce Grafen jest, grafen jest najwyższym znaczeniu dla rozwoju szybkich podzespołów elektronicznych w wysokiej częstotliwości technologii.
Czujniki: The ultradźwiękowo złuszczony graphene mogą być stosowane do wytwarzania wysoce specyficzne i selektywne czujników konduktometrycznych (którego rezystancja zmienia się gwałtownie >10 000% nasyconych oparów etanol) i ultrakondensatory o bardzo dużym ciężarze pojemności (120 K / g), gęstości mocy (105 KW / kg) i gęstość energii (9,2 Wh / kg). (An i wsp. 2010)
Alkohol: Do wytwarzania alkoholu: Aplikacja boczna może być wykorzystanie grafenu w produkcji alkoholu, to błony grafenowe mogą być stosowane w celu oddestylowania alkoholu, w ten sposób, aby napoje alkoholowe silniejsza.
Ponieważ najsilniejszy najbardziej elektrycznie przewodzące i jednego najlżejszych i elastycznych materiałów graphene jest obiecujący materiał do ogniw słonecznych, katalizy, przezroczyste i emisyjne wyświetlacze, mikromechanicznych rezonatorów, tranzystory, jako katody w bateriach litowo powietrza na ultraczułej czujników chemicznych , powłok przewodzących, a także zastosowanie jako dodatek do związków.

Kontakt / Poproś o więcej informacji

Porozmawiaj z nami o swoich wymagań technologicznych. My polecamy najbardziej odpowiednie parametry konfiguracyjne i przetwarzania dla danego projektu.





Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


Pobierz cały artykuł w formacie PDF tutaj:
Ultradźwiękami wspomaga wytwarzanie grafenu

Literatura / Referencje

  • An, X .; Simmons, T .; Shah, R .; Wolfe, C .; Lewis, K. M .; Washington, M .; Nayak, S.K .; Talapatra, S .; Kar, S. (2010): Stabilne wodnych dyspersji funkcjonalizowanego niekowalencyjnie grafenu z grafitu i ich Wielofunkcyjne Wysoka wydajność aplikacji. Nano Letters 10/2010. ss. 4295-4301.
  • Dziecko, T. Th .; Ramaprabhu, S. (2011): Zwiększona wnikania ciepła przy użyciu grafenowych rozproszone nanofluids. Nanoskali Research Letters 6: 289, 2011.
  • Grupowy, J. H .; Suslick, K. S. (2010): Zastosowanie ultradźwięków do syntezy Materiały nanostrukturalne. Advanced Materials 22/2010. str. 1039/59.
  • Choi, E. T .; Han, T.H .; Hong, J .; Kim, J. E .; Lee, S. H .; Kim, H. W .; Kim, S. O. (2010) niekowalencyjne funkcjonalizacji polimerów grafenu z końcowymi grupami funkcyjnymi. Journal of Materials Chemistry 20/2010 str. 1907/12.
  • Geim, A. K. (2009): Grafen: Stan i perspektywy. Nauka 324/2009. str. 1530/34. http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0906/0906.3799.pdf
  • Zielony, A. A .; Hersam, M. C. (2010) Emerging Sposoby wytwarzania monodyspersyjnych GRAPHENE dyspersji. Journal of Physical Chemistry Letters 2010. str. 544-549.
  • Guo, J .; Zhu, S .; Chen, Z .; Li, T .; Yu, Z .; Liu, Z .; Liu, Q .; Li, J .; Feng, C .; Zhang, D. (2011): sonochemicznego synteza TiO (2 nanocząstki na grafenu do stosowania jako fotokatalizatora
  • Hasan K. ul; Sandberg, M. O .; Nur, O .; Willander, M. (2011): stabilizacja polikationem zawiesin grafenu. Nanoskali Research Letters 6: 493, 2011.
  • Liu, X .; PAN, L .; Lv T .; Zhu, G .; Lu, T .; Słońce, Z .; Sun, C. (2011): synteza mikrofalowego kompozytów tlenku graphene TiO2 zredukowana do fotokatalitycznego redukcji Cr (VI). RSC Advances 2011.
  • Malig J .; Englert, J. M .; Hirsch, A .; Guldi D. M. (2011): Mokra Chemia Graphene. Elektrochemicznego Society Interface, Wiosna 2011. s. 53-56.
  • Och, W. Ch .; Chen, M. L .; Zhang, K .; Zhang, F. J .; Jang, W. K. (2010): Effect of Thermal i ultradźwięków na powstawanie Nanosheets Grafen tlenku. Journal of Physical Society na koreański 4/56, 2010. str. 1097/02.
  • Sametband, M .; Shimanovich U .; Gedanken, A. (2012): GRAPHENE mikrosfery tlenku wytworzonego w prosty, jednoetapowy sposób ultrasonikacji. New Journal of Chemistry 36/2012. ss. 36-39.
  • Savoskin M. V .; Mochalin, R. N .; Jaroszenko, A. P .; Lazareva N. I .; Konstanitinova, T. E .; Baruskov I. V .; Prokofiew I. G. (2007): nanoscrolls węglowe wytworzone z akceptora typu interkalacyjnych związków grafitu. Carbon 45/2007. ss. 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): Synteza nanosheets grafenu oparte poprzez redukcję chemiczną tlenku eksfoliowanego grafitu. Carbon 45/2007. str. 1558/65.
  • Stengl, V .; Popelková, D .; Vláčil, P. (2011): TiO2-Grafen nanokompozytowe Fotokatalizatory jako wysokiej wytrzymałości. W: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. str. 25209-25218.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4. wyd. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, str. 517-541.
  • Viculis, L. M .; Mack, J. J .; Kaner, R. B. (2003): A Chemical trasy Carbon Nanoscrolls. Nauka, 299/1361; 2003.
  • Xu, H .; Suslick, K. S. (2011) sonochemicznego Otrzymywanie funkcjonalizowanego Graphenes. W: Journal of American Chemical Society 133/2011. ss. 9148-9151.
  • Zhang, W .; On, W .; Jing, X. (2010): wytwarzanie stabilnej dyspersji Graphene z wysokim stężeniem za pomocą ultradźwięków. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. s. 10368-10373.
  • Jiao, L .; Zhang, L .; Wang, X .; Diankov, G .; Dai, H. (2009): Wąskie nanowstążki grafenu z nanorurek węglowych. Nature 458/2009 s. 877-880.
  • Park, G .; Lee, K. G .; Lee, S. J .; Park, T. J .; WI, R .; Kim, D. H. (2011): Synteza Graphene-złoto nanokompozytów poprzez sonochemicznego redukcja. Journal of nanonauki i nanotechnologii 7/11 2011. ss. 6095-6101.
  • Zhang, RQ; De Sakar, A. (2011): Teoretyczne badania nad formowaniem, dostosowywaniem własności i adsorpcją segmentów grafenu. W: M. Sergey (red.): Fizyka i zastosowania grafenu - teoria. InTech 2011. s. 3-28.