Ultrasunete Graphene de producție

Sinteza ultrasonică a grafenei prin exfolierea grafitului este metoda cea mai fiabilă și avantajoasă pentru a produce foi de grafen de înaltă calitate pe scară industrială. Hielscher de înaltă performanță procesoare cu ultrasunete sunt exact controlabile și poate genera amplitudini foarte mari în 24/7 operațiune. Acest lucru permite să se pregătească volume mari de grafen curat într-un mod de facilă și de dimensiuni-controlabile.

Prepararea ultrasunete Grafenul

foaie GrafenulDeoarece sunt cunoscute caracteristicile extraordinare ale grafitului, s-au dezvoltat mai multe metode de preparare a grafitului. În afară de producția chimică de grafenuri din oxid de grafen în procese în mai multe etape, pentru care sunt necesare agenți oxidanți și reducători foarte puternici. În plus, grafenul preparat în aceste condiții chimice dure conține adesea o cantitate mare de defecte chiar și după reducere comparativ cu grafenele obținute prin alte metode. Cu toate acestea, ecografia este o alternativă dovedită pentru a produce grafen, de înaltă calitate, de asemenea în cantități mari. Cercetătorii au dezvoltat metode ușor diferite folosind ultrasunete, dar, în general, producția de grafen este un proces simplu, într-un singur pas.
Pentru a da un exemplu de traseu de producție grafena specifică: Grafit este adăugat într-un amestec de acid diluat organic, alcool și apă, și apoi amestecul este expus la iradiere cu ultrasunete. Acidul funcționează ca “pană molecular” care separă foile de grafen de grafit părinte. Prin acest proces simplu, se creează o cantitate mare de nedeteriorate de înaltă calitate grafen, dispersat în apă. (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

Figura 1:. Imagine AFM a foi de GO exfoliate cu trei profiluri de înălțime dobândite în locații diferite (Stankovich et al 2007).

UIP2000hdT-2kW ultrasonicator pentru procesarea lichidelor.

UIP2000hdT – 2kW ultrasonicator puternic pentru exfoliere grafen

Cerere de informatie





Grafenul Direct Exfolierea

Ultrasunete permite prepararea graphenes în solvenți organici, agenți activi de suprafață / soluții de apă sau lichide ionice. Aceasta înseamnă că utilizarea puternic oxidant sau agenți de reducere pot fi evitate. Stankovich și colab. (2007), produs grafena de exfolierea sub ultrasonare.
Imaginile AFM ale oxidului de grafen exfoliate prin tratamentul cu ultrasunete la concentrații de 1 mg / ml în apă, a relevat întotdeauna prezența foi cu o grosime uniformă (~ 1 nm, de exemplu, este prezentată în figura 1 de mai jos.). Aceste probe bine-exfoliate de oxid de grafen nu conținea foi fie mai groase sau mai subțiri decât 1nm, ceea ce conduce la concluzia că exfolierea completă a oxidului de grafen până la foi individuale de oxid de grafen a fost atins într-adevăr, în aceste condiții. (Stankovich et al. 2007)

Pregătirea Foi grafena

Stengl și colab. au demonstrat pregătirea cu succes a foilor de grafen pure în cantități mari în timpul producției de nonstoichiometric nanocomposit TiO2 grafena prin hidroliza termică a suspensiei cu nanosheets grafen și titaniu peroxidici complexe. Cele nanosheets grafenice pure au fost produse din grafit natural folosind un camp de cavitatie intensitate ridicată generată de procesorul cu ultrasunete Hielscher lui Uip1000hd într-un reactor cu ultrasunete de înaltă presiune, la 5 bari. Foile graphene obținute, cu o suprafață mare specifică și proprietățile electronice unice, poate fi folosit ca un bun suport pentru TiO2 pentru a spori activitatea fotocatalitice. Grupul de cercetare susține că calitatea grafen pregătit ultrasunetelor este mult mai mare decât graphene obținut prin metoda Hummer, unde grafit este exfoliată și oxidat. Deoarece condițiile fizice în reactorul ultrasonic poate fi controlat cu precizie și prin presupunerea că concentrația de grafena ca dopant va varia în intervalul de la 1 – 00.001%, producția de grafen într-un sistem continuu pe la scară comercială este posibil.

Prepararea prin tratarea cu ultrasunete a Grafenul Oxide

Oh și colab. (2010) au arătat o cale de preparare folosind iradierea cu ultrasunete pentru a produce oxid de grafen (GO) straturi. De aceea, ei au suspendat douăzeci și cinci de miligrame de pulbere de oxid de grafen în 200 ml de apă deionizată. Prin agitare au obținut o suspensie brună neomogen. Suspensiile rezultate au fost sonicate (30 min, 1,3 x 105J), și după uscare (la 373 K), oxidul de grafena tratat ultrasonic a fost produs. Un FTIR a arătat că tratamentul cu ultrasunete nu a modificat grupările funcționale ale oxidului de grafen.

Ultrasunetelor exfoliat grafenice nanosheets oxid

Fig. 2: Imagine SEM a nanosheets grafene obținute prin ultrasonare (Oh et al 2010).

Sinteza ultrasonică a grafenei cu un Hielscher UIP4000hdT

UIP4000hdT – ultrasonicator de mare putere 4 kW

Funcționalizarea Foi grafen

Xu și Suslick (2011) descrie o metodă convenabilă într-o etapă pentru prepararea polistiren funcționalizat grafit. In studiul lor, au folosit fulgi de grafit și stiren ca materie primă de bază. Prin sonicarea fulgii de grafit din stiren (un monomer reactiv), iradierea cu ultrasunete a dus la exfolierea mecano de fulgi de grafit în un singur strat și foi grafen câteva straturi. În același timp, a fost realizat funcționalizarea foilor de grafen cu lanțuri de polistiren.
Același proces de funcționalizare poate fi realizată cu alți monomeri vinilici pentru compozite pe bază de grafen.

Prepararea Nanoribbons

Grupul de cercetare de la Hongjie Dai și colegii săi de la Universitatea Stanford au găsit o tehnică de pregătire a nanoribonilor. Panglicile de grafen sunt benzi subțiri de grafen care pot avea caracteristici și mai utile decât foile de grafen. La lățimi de aproximativ 10 nm sau mai mici, comportamentul panglicilor grapene este similar cu un semiconductor, deoarece electronii sunt forțați să se deplaseze longitudinal. Astfel, ar putea fi interesant să folosiți nanoribbons cu funcții asemănătoare semiconductorilor în electronică (de exemplu, pentru chips-uri mai mici, mai repede).
Dai și colab. pregătirea bazelor nanoribbons grafene pe două etape: în primul rând, au slăbit straturile de grafen din grafit printr-un tratament termic la 1000ºC timp de un minut în 3% hidrogen în gaz argon. Apoi, grafen a fost spart în fâșii folosind ultrasonare. Cele nanoribbons obținute prin această tehnică sunt caracterizate de mult „mai lin’ Marginile decât cele realizate prin mijloace convenționale litografice. (Jiao et al. 2009)

Prepararea Nanoscrolls carbon

Nanoscrolls de carbon sunt similare cu nanotuburi de carbon cu pereți multipli. Diferența de a MWCNTs este deschis sfaturi și accesibilitatea deplină a suprafețelor interioare la alte molecule. Ele pot fi sintetizate chimic umed prin intercalarea grafit cu potasiu, exfoliaza în apă și sonicarea suspensia coloidală. (Cf. Viculis et al. 2003) Acest ultrasonicare asistă derularea în sus a monostraturilor grafen în nanoscrolls carbon (vezi fig. 3). O eficiență ridicată de conversie de 80% a fost atins, care face ca producția de nanoscrolls interesante pentru aplicații comerciale.

Sinteza ultrasonically asistată de nanoscrolls carbon

Sinteza cu ultrasunete de carbon Nanoscrolls (Viculis et al 2003.): Fig.3

Cerere de informatie





Grafenul Dispersii

Gradul de dispersie al grafenului și al oxidului de grafen este extrem de important pentru a utiliza întregul potențial al grafenului cu caracteristicile sale specifice. Dacă grafenul nu este dispersat în condiții controlate, polidispersitatea dispersiei de grafen poate conduce la un comportament imprevizibil sau neindicat odată ce este încorporat în dispozitive, deoarece proprietățile grafenului variază în funcție de parametrii structurali ai acestuia. Sonicarea este un tratament dovedit care slăbește forțele intermediare și permite un control precis al parametrilor importanți de procesare.
„Pentru oxid de grafen (GO), care este de obicei exfoliat ca foi cu un singur strat, una dintre principalele provocări polidispersie rezultă din variațiile în zona laterală a fulgilor. S-a arătat că dimensiunea medie laterală a GO poate fi deplasată de la 400 nm până la 20 pm, prin schimbarea materialului grafit de pornire și condițiile sonicare.“(Green et al. 2010)
ultrasonoră dispersant graphene rezultând în șlamuri fine și chiar coloidal a fost demonstrată în diverse alte studii. (Liu și colab. 2011 / Pat et al. 2011 / Choi și colab. 2010)
Zhang și colab. (2010) au arătat că prin utilizarea ultrasonication unei dispersii grafena stabilă cu o concentrație mare de 1 mg · ml-1 și foi grafen relativ pure sunt atinse, iar foile grafen ca preparate prezintă o conductivitate electrică ridicată de 712 S · m-1. Rezultatele spectrele în infraroșu cu transformată Fourier și examinarea spectrelor Raman a indicat faptul că metoda de preparare cu ultrasunete are mai puține daune structurile chimice și cristaline ale grafen.

Ultrasonicators de înaltă performanță

Pentru producerea de înaltă calitate grafen nano-foi, fiabile echipamente ultrasonice de înaltă performanță este necesară. Amplitudinea, presiunea și temperatura sunt parametri esențiali, care sunt cruciale pentru reproductibilitate și calitate consistentă a produselor. Hielscher Ultrasonics’ procesoare cu ultrasunete sunt sisteme puternice și precis controlabile, care permit stabilirea exactă a parametrilor de proces și de ieșire continuă cu ultrasunete de mare putere. Hielscher Ultrasonics’ procesoare cu ultrasunete industriale pot livra amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200 μm pot fi ușor de rulat în mod continuu în 24/7 operațiune. Pentru amplitudini chiar mai mari, sunt disponibile sonotrodes cu ultrasunete personalizate. Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite pentru 24/7 funcționarea la grele și în medii solicitante.
Clienții noștri sunt mulțumiți de robustețea remarcabilă și fiabilitatea sistemelor Hielscher ultrasonic lui. Instalarea în domenii grele de aplicare, medii solicitante și 24/7 operațiune asigura o prelucrare eficientă și economică. Intensificare proces cu ultrasunete reduce timpul de procesare și obține rezultate mai bune, adică mai mare calitate, randamente mai mari, produse inovatoare.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre:

volum lot Debit Aparate recomandate
0.5 1,5ml N / A. VialTweeter
1 la 500mL 10 până la 200 ml / min UP100H
10 la 2000ml 20 până la 400ml / min Uf200 ः t. UP400St
0.1 la 20L 0.2 4L / min UIP2000hdT
10 100L 2 până la 10L / min UIP4000hdT
N / A. 10 la 100L / min UIP16000
N / A. mai mare grup de UIP16000

Contactati-ne / cere mai multe informații

Vorbeste cu noi despre cerințele dumneavoastră de prelucrare. Vă vom recomanda cele mai potrivite de instalare și de prelucrare a parametrilor pentru proiectul dumneavoastră.





Vă rugăm să rețineți Politica de confidentialitate.


Descarca articolul complet ca PDF aici:
Ultrasonically asistată prepararea grafena


Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru dispersie, emulsificare și extracția celulară.

Omogenizatoare cu ultrasunete de mare putere de la laborator la pilot și scară industrială.

Literatura / Referințe

  • Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): CrPS exfoliat4 cu fotoconductivitate promițătoare. Vol.16, Nr. 1. 9 ianuarie 2020.
  • O, X .; Simmons, T .; Shah, R .; Wolfe, C .; Lewis, K. M .; Washington, M .; Nayak, S. K .; Talapatra, S .; Kar, S. (2010): Stabil apoase Dispersii de necovalent functionalizate Grafena din grafit și aplicațiile lor multifuncțional de înaltă performanță. Nano Letters 10/2010. pp. 4295-4301.
  • Pat, T. Th .; Ramaprabhu, S. (2011): transfer de căldură convectiv îmbunătățită folosind grafen dispersat nanofluide. Research Letters 6 de scara nanometrica: 289, 2011.
  • Bang, J. H .; Suslick, K. S. (2010): Aplicații ale ultrasunete pentru sinteza materialelor nanostructurate. Materiale avansate 22/2010. pp. 1039-1059.
  • Choi, E. Y .; Han, T. H .; Hong, J .; Kim, J. E .; Lee, S. H .; Kim, H. W .; Kim, S. O. (2010): functionalizarea necovalenă graphene cu polimeri-end funcțional. Journal of Materials Chemistry 20 / 2010. pp. 1907-1912.
  • Geim, A. K. (2009): Grafenul: Statutul și perspective. Știința 324/2009. pp. 1530-1534. http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0906/0906.3799.pdf
  • Green, A. A .; Hersam, M. C. (2010): Metode rezultante pentru Producerea monodisperși grafena Dispersie. Journal of Physical Chemistry Letters 2010. pp. 544-549.
  • Guo, J .; Zhu, S .; Chen, Z .; Li, Y .; Yu, Z .; Liu, Z .; Liu, Q .; Li, J .; Feng, C .; Zhang, D. (2011): Sinteza sonochimice de TiO (2 nanoparticule de pe graphene pentru utilizare ca fotocatalizator
  • Hasan, K. ul; Sandberg, M. O .; Nur, O .; Willander, M. (2011): stabilizarea polycation a suspensiilor grafen. Research Letters 6 de scara nanometrica: 493, 2011.
  • Liu, X .; Pan, L .; Lv, T .; Zhu, G .; Lu, T .; Soare, Z .; Sun, C. (2011): sinteza asistata cu microunde a compozitelor oxid graphene redus de TiO2 pentru reducerea fotocatalitica Cr (VI). RSC Avansuri 2011.
  • Malig, J .; Englert, J. M .; Hirsch, A .; Guldi, D. M. (2011): Wet Chimie Grafenul. Society Interface electrochimica, primăvara anului 2011. pp. 53-56.
  • Oh, W. Ch .; Chen, M. L .; Zhang, K .; Zhang, F. J .; Jang, W. K. (2010): Efectul termic și cu ultrasunete Tratamentul pe formarea de Nanosheets Grafena-oxid. Jurnalul Societății 4/56 coreeană fizică, 2010. pp. 1097-1102.
  • Sametband, M .; Shimanovich, U .; Gedanken, A. (2012): microsfere oxid grafena preparate printr-o metodă simplă ultrasonare, cu un singur pas. New Journal of Chemistry 36/2012. pp. 36-39.
  • Savoskin, M. V .; Mochalin, V. N .; Yaroshenko, A. P .; Lazareva, N. I .; Konstanitinova, T. E .; Baruskov, I. V .; Prokofiev, I. G. (2007): nanoscrolls carbon produs din compuși de grafit intercalare de tip acceptor. Carbon 45/2007. pp. 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): Sinteza nanosheets bazate pe grafenice prin reducerea chimică a oxidului de grafit exfoliate. Carbon 45/2007. pp. 1558-1565.
  • Stengl, V .; Popelková, D .; Vláčil, P. (2011): TiO2-Grafena nanocompozite photocatalysts ca High Performance. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4-a ediție. J. Wiley & Sons: New York, 1998, voi. 26, pp. 517-541.
  • Viculis, L. M .; Mack, J. J .; Kaner, R. B. (2003): O rută chimică la carbon Nanoscrolls. Știință, 299/1361; 2003.
  • Xu, H .; Suslick, K. S. (2011): sonochimice Prepararea funcționalizate Graphenes. In: Journal of American Chemical Society 133/2011. pp. 9148 - 9151.
  • Zhang, W .; El, W .; Jing, X. (2010): Prepararea unei Stabil Grafena Dispersie cu concentrație ridicată de ultrasunete. Journal of Physical Chemistry B 32/114, 2010. pp. 10368-10373.
  • Jiao, L .; Zhang, L .; Wang, X .; Diankov, G .; Dai, H. (2009): nanoribbons grafene înguste din nanotuburi de carbon. Natura 458 / 2009. pp. 877-880.
  • Park, G .; Lee, K. G .; Lee, S. J .; Park, T. J .; Wi, R .; Kim, D. H. (2011): Sinteza Grafena-Gold Nanocompozite prin sonochimice Reducere. Journal of Nanoscience si Nanotehnologie 7/11, 2011. pp. 6095-6101.
  • Zhang, RQ; De Sakar, A. (2011): Studii teoretice privind formarea, reglarea proprietăților și adsorbția segmentelor de grafen. În: M. Sergey (ed.): Fizica și aplicațiile grafenului - teorie. InTech 2011. pp. 3-28.


Ce trebuie să știți

Ce este graphene?

Grafitul este compus din două foi dimensionale de atomi de carbon aranjate hibridizate-hexagonală sp2 - grafen - care sunt stivuite în mod regulat. Foi de atom subțire grafen, care formează grafit prin interacțiuni non-tricotare, se caracterizează printr-o arie extremă suprafață mai mare. Grafenul prezintă o rezistență extraordinară și fermitate de-a lungul nivelurile bazale care ajunge cu aprox. 1020 GPa aproape valoarea rezistenței de diamant.
Grafenul este elementul structural de bază al unor forme alotropice inclusiv, în afară de grafit, de asemenea, nanotuburi de carbon si fullerene. Folosit ca aditiv, graphene poate îmbunătăți în mod dramatic,, si proprietatile fizice mecanice electrice barieră compozite polimerice la încărcări extrem de mici. (Xu, Suslick 2011)
Prin proprietățile sale, grafenul este un material de superlativ și, prin urmare, promite industriei care produce compozite, acoperiri sau microelectronică. Geim (2009) descrie grafenul ca supermaterial concis în următorul paragraf:
"Este cel mai subțire material din univers și cel mai puternic măsurat vreodată. Suporții încărcăturii sale prezintă mobilitate intrinsecă gigantică, au cea mai mică masă efectivă (este zero) și pot să deplaseze distanțe lungi ale micrometrelor fără a se împrăștia la temperatura camerei. Grafenul poate susține densitățile de curent cu 6 ordine mai mari decât cuprul, prezintă conductivitate termică și rigiditate record, este impermeabil la gaze și reconciliază astfel de calități conflictuale precum fragilitatea și ductilitatea. Transportul electronilor în grafen este descris de o ecuație Dirac-like, care permite investigarea fenomenelor cuantice relativiste într-un experiment de tip bench-top. "
Datorită caracteristicilor acestor materiale deosebite, a grafen este unul dintre materialele cele mai promițătoare și se află în centrul de cercetare nanomaterial.

Aplicatii potentiale pentru graphene

Aplicații biologice: Un exemplu de preparare cu grafină cu ultrasunete și utilizarea biologică a acestuia sunt prezentate în studiul "Sinteza nanocompozitelor grafene-aur prin reducere sonochemică" de Park et al. (2011), unde s-a sintetizat un nanocompozit din nanoparticule reduse de oxid de grafenă (Au) prin reducerea simultană a ionilor de aur și depunerea nanoparticulelor de aur simultan pe suprafața oxidului de grafen redus. Pentru a facilita reducerea ionilor de aur și generarea de funcționalități de oxigen pentru ancorarea nanoparticulelor de aur pe oxidul de grafen redus, iradierea cu ultrasunete a fost aplicată amestecului de reactanți. Producția de biomolecule modificate pe bază de aur-peptidă prezintă potențialul de iradiere ultrasonică a compozitelor de grafen și grafen. Prin urmare, ecografia pare a fi un instrument potrivit pentru a pregăti alte biomolecule.
Electronics: Grafenul este un material extrem de funcțional pentru sectorul de electronice. Prin mobilitatea ridicată a purtătorilor de sarcină din cadrul grilei grafen lui, grafen este de cel mai mare interes pentru dezvoltarea de componente electronice rapide în înaltă frecvență-tehnologie.
Senzori: grafen ultrasunetelor exfoliate pot fi utilizate pentru producerea de senzori conductometrice foarte sensibile și selective (a căror rezistență se schimbă rapid >10 000% în vapori de etanol saturat) și ultracapacitoare cu capacitate extrem de mare specifică (120 F / g), densitatea de putere (105 kW / kg) și densitatea de energie (9,2 Wh / kg). (An et al. 2010)
Alcool: Pentru producția de alcool: O aplicație laterală poate fi utilizarea graphene în producția de alcool, exista membrane grafen pot fi folosite pentru a distila alcool și pentru a face băuturi alcoolice, astfel, mai puternic.
Ca cel mai puternic, cel mai bun conducător de electricitate și unul dintre cele mai ușoare și mai flexibile materiale, graphene este un material promițător pentru celulele solare, cataliză, display-uri transparente și emisive, rezonatoare micromecanice, tranzistori, ca catod în baterii litiu-aer, pentru detectori chimici ultrasensitive , acoperiri conductive precum și utilizarea ca aditiv în compuși.

Principiul de lucru de mare putere ultrasunete

Atunci când sonicarea lichidelor la intensități mari, undele sonore care se propagă în mediul lichid conduc la alternarea ciclurilor de presiune înaltă (compresiune) și presiune joasă (rarefaction), cu rate în funcție de frecvență. În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de mare intensitate creează bule mici de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energia, ele se prăbușesc violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen este numit cavitație. În timpul implosirii se ating temperaturi foarte ridicate (circa 5.000 K) și presiuni (aproximativ 2000 mc). Implozia lui cavitație cu bule de asemenea, rezultate în jeturi de lichid de până la 280m / s viteză. (Suslick 1998) Cavitația generată cu ajutorul ultrasunetelor produce efecte chimice și fizice, care pot fi aplicate proceselor.
induse de Cavitația Sonochemistry oferă o interacțiune unică între energie și materie, cu punctele fierbinți din interiorul bule de ~ 5000 K, presiuni de 1000 bar ~ rate, încălzire și răcire de >1010K s-1; aceste condiții extraordinare permit accesul la o gamă de spațiu de reacție chimică în mod normal, nu este accesibilă, care permite sinteza unei game largi de materiale nanostructurate neobișnuite. (Bang 2010)