Złuszczanie grafenu na bazie wody
Eksfoliacja ultradźwiękowa pozwala na produkcję kilkuwarstwowego grafenu bez użycia agresywnych rozpuszczalników przy użyciu wyłącznie czystej wody. Sonikacja o dużej mocy rozwarstwia arkusze grafenu w krótkim czasie. Unikanie rozpuszczalników zamienia złuszczanie grafenu w zielony, zrównoważony proces.
Produkcja grafenu poprzez złuszczanie w fazie ciekłej
Grafen jest komercyjnie wytwarzany poprzez tak zwaną eksfoliację w fazie ciekłej. Eksfoliacja grafenu w fazie ciekłej wymaga użycia toksycznych, szkodliwych dla środowiska i drogich rozpuszczalników, które są stosowane jako chemiczna obróbka wstępna lub w połączeniu z techniką dyspersji mechanicznej. W przypadku mechanicznej dyspersji arkuszy grafenowych, ultradźwięki zostały uznane za wysoce niezawodną, wydajną i bezpieczną technikę produkcji wysokiej jakości arkuszy grafenowych w dużych ilościach na poziomie w pełni przemysłowym. Ponieważ stosowanie agresywnych rozpuszczalników zawsze wiąże się z kosztami, zanieczyszczeniem, złożonym usuwaniem i utylizacją, obawami dotyczącymi bezpieczeństwa, a także obciążeniem dla środowiska, nietoksyczna i bezpieczniejsza alternatywa jest znacznie korzystniejsza. Eksfoliacja grafenu przy użyciu wody jako rozpuszczalnika i ultradźwięków mocy do mechanicznego rozwarstwiania kilkuwarstwowych arkuszy grafenu jest zatem wysoce obiecującą techniką dla zielonej produkcji grafenu.
Powszechne rozpuszczalniki, które są często stosowane jako faza ciekła do dyspergowania nanosieci grafenowych, obejmują dimetylosulfotlenek (DMSO), N,N-dimetyloformamid (DMF), N-metylo-2-pirolidon (NMP), tetrametylomocznik (TMU), tetrahydrofuran (THF), węglan propylenu-aceton (PC), etanol i formamid.
Jako już od dawna uznana technika złuszczania grafenu na skalę komercyjną, ultradźwięki umożliwiają produkcję wysokiej jakości grafenu o wysokiej czystości przy niskich kosztach. Ponieważ ultradźwiękowe złuszczanie grafenu może być całkowicie skalowane liniowo do dowolnej objętości, wydajność produkcji wysokiej jakości płatków grafenowych może być łatwo wdrożona do masowej produkcji grafenu.
UIP2000hdT to wydajny dyspergator ultradźwiękowy o mocy 2 kW do złuszczania i dyspersji grafenu.
Ultradźwiękowe złuszczanie grafenu w wodzie
Tyurnina et al. (2020) zbadali wpływ amplitudy i intensywności sonikacji na czyste roztwory wodno-grafitowe i wynikające z nich złuszczanie grafenu. W badaniu wykorzystano urządzenie Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultradźwiękowa eksfoliacja przy użyciu wody została zastosowana jako jednoetapowy proces rozwarstwiania kilku warstw grafenu. Krótka obróbka trwająca 2 godziny była wystarczająca do wytworzenia kilkuwarstwowego grafenu w otwartym układzie sonikacji zlewki.
Sekwencja klatek z dużą prędkością (od a do f) ilustrująca sonomechaniczne złuszczanie płatka grafitu w wodzie. przy użyciu UP200s, ultrasonografu 24 kHz z sonotrodą 3 mm. Strzałki pokazują miejsce rozszczepienia (złuszczania) z pęcherzykami kawitacyjnymi penetrującymi rozszczepienie.
© Tyurnina et al., 2020
Optymalizacja ultradźwiękowego złuszczania grafenu
Konfiguracja ultradźwiękowa zastosowana przez Tyurnina et al. (2020) może być łatwo zoptymalizowana pod kątem większej wydajności i szybszego złuszczania poprzez zastosowanie zamkniętego reaktora ultradźwiękowego w trybie przepływowym. Ultradźwiękowa obróbka inline pozwala na znacznie bardziej równomierną obróbkę ultradźwiękową całego surowca grafitowego: podawanie roztworu grafitu / wody bezpośrednio do ograniczonej przestrzeni kawitacji ultradźwiękowej, cały grafit staje się równomiernie sonikowany, co skutkuje wysoką wydajnością wysokiej jakości płatków grafenowych.
Systemy ultradźwiękowe firmy Hielscher umożliwiają precyzyjną kontrolę nad wszystkimi ważnymi parametrami przetwarzania, takimi jak amplituda, czas / retencja, pobór energii (Ws / ml), ciśnienie i temperatura. Ustawienie optymalnych parametrów ultradźwiękowych skutkuje najwyższą wydajnością, jakością i ogólną wydajnością.
Jak ultradźwięki promują złuszczanie grafenu?
Gdy fale ultradźwiękowe o dużej mocy są sprzężone z zawiesiną proszku grafitowego i wody lub dowolnego rozpuszczalnika, siły sonomechaniczne, takie jak wysokie ścinanie, intensywne turbulencje oraz wysokie różnice ciśnień i temperatur, tworzą intensywne energetycznie warunki. Te intensywne energetycznie warunki są wynikiem zjawiska kawitacji akustycznej.
Przeczytaj więcej o kawitacji ultradźwiękowej tutaj!
Ultradźwięki mocy inicjują rozprężanie proszku grafitowego, ponieważ płyny są wciskane między warstwy grafenu, z których składa się grafit. Ultradźwiękowe siły ścinające rozwarstwiają pojedyncze arkusze grafenu i rozpraszają je jako płatki grafenu w roztworze. Aby uzyskać długoterminową stabilność grafenu w wodzie, wymagany jest środek powierzchniowo czynny.
Mechnizm ultradźwiękowej eksfoliacji grafenu w fazie ciekłej.
Opracowanie i zdjęcie Tyurnina i in., 2021 r.
Wysokowydajne ultradźwięki do złuszczania grafenu
Inteligentne funkcje ultradźwiękowców Hielscher zostały zaprojektowane tak, aby zagwarantować niezawodne działanie, powtarzalne wyniki i łatwość obsługi. Ustawienia operacyjne są łatwo dostępne i wybierane za pomocą intuicyjnego menu, do którego można uzyskać dostęp za pomocą cyfrowego kolorowego wyświetlacza dotykowego i pilota zdalnego sterowania. W związku z tym wszystkie warunki przetwarzania, takie jak energia netto, energia całkowita, amplituda, czas, ciśnienie i temperatura są automatycznie rejestrowane na wbudowanej karcie SD. Pozwala to na rewizję i porównanie poprzednich przebiegów sonikacji oraz optymalizację procesu złuszczania grafenu w celu uzyskania najwyższej wydajności.
Systemy Hielscher Ultrasonics są wykorzystywane na całym świecie do produkcji wysokiej jakości arkuszy grafenowych i tlenków grafenu. Przemysłowe ultrasonografy firmy Hielscher mogą z łatwością pracować z wysokimi amplitudami w trybie ciągłym (24/7/365). Amplitudy do 200 µm można łatwo generować w sposób ciągły za pomocą standardowych sonotrod (sondy ultradźwiękowe / rogi i kaskatrodyTM). Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Ze względu na ich solidność i niskie koszty utrzymania, nasze ultradźwiękowe systemy złuszczania są powszechnie instalowane do ciężkich zastosowań i w wymagających środowiskach.
Procesory ultradźwiękowe Hielscher do złuszczania grafenu są już instalowane na całym świecie na skalę komercyjną. Skontaktuj się z nami już teraz, aby omówić proces produkcji grafenu! Nasz doświadczony personel chętnie podzieli się dodatkowymi informacjami na temat procesu eksfoliacji, systemów ultradźwiękowych i cen!
Aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowej syntezie, dyspersji i funkcjonalizacji grafenu, kliknij tutaj:
- Produkcja grafenu
- Nanopłytki grafenowe
- Złuszczanie grafenu na bazie wody
- Grafen dyspergowalny w wodzie
- tlenek grafenu
- ksenony
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspersji, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.
Literatura / Referencje
- 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.
Fakty, które warto znać
Czym jest grafen?
Grafen jest monowarstwą sp2-atomów węgla. Grafen oferuje unikalne właściwości materiałowe, takie jak wyjątkowo duża powierzchnia właściwa (2620 m2g-1), doskonałe właściwości mechaniczne z modułem Younga wynoszącym 1 TPa i wewnętrzną wytrzymałością 130 GPa, niezwykle wysokie przewodnictwo elektroniczne (ruchliwość elektronów w temperaturze pokojowej wynosząca 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), bardzo wysoka przewodność cieplna (powyżej 3000 W m K-1), aby wymienić najważniejsze właściwości. Ze względu na swoje doskonałe właściwości materiałowe, grafen jest szeroko stosowany w rozwoju i produkcji wysokowydajnych baterii, ogniw paliwowych, ogniw słonecznych, superkondensatorów, magazynów wodoru, ekranów elektromagnetycznych i urządzeń elektronicznych. Ponadto grafen jest włączany do wielu nanokompozytów i materiałów kompozytowych jako dodatek wzmacniający, np. w polimerach, ceramice i matrycach metalowych. Ze względu na wysoką przewodność grafen jest ważnym składnikiem przewodzących farb i atramentów.
Szybkie i bezpieczne ultradźwiękowe przygotowanie wolnego od defektów grafenu w dużych ilościach przy niskich kosztach pozwala na rozszerzenie zastosowań grafenu na coraz więcej gałęzi przemysłu.
Grafen to warstwa węgla o grubości jednego atomu, którą można opisać jako jednowarstwową lub dwuwymiarową strukturę grafenu (single layer graphene = SLG). Grafen ma wyjątkowo dużą powierzchnię właściwą i doskonałe właściwości mechaniczne (moduł Younga wynoszący 1 TPa i wewnętrzną wytrzymałość 130 GPa), oferuje doskonałą przewodność elektroniczną i cieplną, mobilność nośników ładunku, przezroczystość i jest nieprzepuszczalny dla gazów. Ze względu na te właściwości materiału, grafen jest stosowany jako dodatek wzmacniający w celu nadania kompozytom wytrzymałości, przewodności itp. Aby połączyć właściwości grafenu z innymi materiałami, grafen musi być rozproszony w związku lub nakładany jako cienka powłoka na podłoże.
Ultradźwięki o wysokiej wydajności! Asortyment produktów firmy Hielscher obejmuje pełne spektrum, od kompaktowych ultradźwiękowych urządzeń laboratoryjnych, przez urządzenia stołowe, po w pełni przemysłowe systemy ultradźwiękowe.