Exfoliere cu grafen pe bază de apă
Exfolierea cu ultrasunete permite producerea de grafen cu câteva straturi fără utilizarea solvenților duri folosind numai apă pură. Sonicare de mare putere delaminează foi de grafen într-un tratament scurt. Evitarea solvenților transformă exfolierea grafenului într-un proces ecologic și durabil.
Producția de grafen prin exfoliere în fază lichidă
Grafenul este fabricat comercial prin așa-numita exfoliere în fază lichidă. Exfolierea în fază lichidă a grafenului necesită utilizarea de solvenți toxici, dăunători mediului și scumpi, care sunt utilizați ca pre-tratare chimică sau în combinație cu / cu o tehnică de dispersie mecanică. Pentru dispersia mecanică a foilor de grafen, ultrasonication a fost stabilit ca o tehnică extrem de fiabilă, eficientă și sigură pentru a produce foi de grafen de înaltă calitate în cantități mari la nivel complet industrial. Deoarece utilizarea solvenților duri este întotdeauna însoțită de costuri, contaminare, eliminare și eliminare complexă, preocupări legate de siguranță, precum și povara asupra mediului, o alternativă netoxică și mai sigură este semnificativ avantajoasă. Exfolierea grafenului folosind apa ca solvent și ultrasunete de putere pentru delaminarea mecanică a foilor de grafen cu câteva straturi este, prin urmare, o tehnică extrem de promițătoare pentru fabricarea grafenului verde.
Solvenții obișnuiți, care sunt adesea utilizați ca fază lichidă pentru dispersarea nanofoilor de grafen, includ dimetilsulfoxid (DMSO), N,N-dimetilformamidă (DMF), N-metil-2-pirolidonă (NMP), tetrametiluree (TMU), tetrahidrofuran (THF), carbonatacetonă de propilenă (PC), etanol și formamidă.
Ca o tehnică deja stabilită pe termen lung pentru exfolierea grafenului la scară comercială, ultrasonication permite producerea grafenului de înaltă calitate de înaltă puritate la costuri reduse. Deoarece exfolierea cu grafen cu ultrasunete poate fi scalată complet liniar la orice volum, randamentul producției de fulgi de grafen de înaltă calitate poate fi ușor implementat pentru producția în masă de grafen.
UIP2000hdT este un dispersor cu ultrasunete puternic 2kW pentru exfolierea și dispersia grafenului.
Exfolierea cu ultrasunete a grafenului în apă
Tyurnina et al. (2020) au investigat efectele amplitudinii și intensității sonicării asupra soluțiilor pure de apă-grafit și exfolierea grafenului rezultată. În studiu, au folosit un Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Exfolierea cu ultrasunete folosind apă a fost aplicată ca un proces într-o singură etapă pentru delaminarea grafenului cu câteva straturi. Un tratament scurt de 2h a fost suficient pentru a produce grafen cu câteva straturi într-o configurație deschisă de sonicare a paharului.
O secvență de mare viteză (de la a la f) de cadre ilustrând exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200s, un ultrasonicator de 24 kHz cu sonotrodă de 3 mm. Săgețile arată locul de despicare (exfoliere) cu bule de cavitație care penetrează despicarea.
© Tyurnina și colab., 2020
Optimizarea exfolierii cu grafen cu ultrasunete
Configurarea cu ultrasunete utilizată de Tyurnina et al. (2020) poate fi ușor optimizată pentru o mai mare eficiență și o exfoliere mai rapidă prin utilizarea unui reactor cu ultrasunete închis în modul de curgere. Tratamentul inline cu ultrasunete permite un tratament cu ultrasunete semnificativ mai uniform al tuturor materiilor prime de grafit: alimentarea soluției de grafit / apă direct în spațiul închis al cavitației cu ultrasunete, tot grafitul devine uniform sonicated, rezultând un randament ridicat de fulgi de grafen de înaltă calitate.
Hielscher Ultrasonics sisteme permit un control precis asupra tuturor parametrilor importanți de procesare, ar fi amplitudinea, timp / retenție, aportul de energie (Ws / ml), presiune, și temperatura. Setarea parametrilor optimi cu ultrasunete are ca rezultat cel mai mare randament, calitate și eficiență generală.
Cum Ultrasonication promova exfolierea grafen
Atunci când undele cu ultrasunete de mare putere sunt cuplate într-o suspensie de pulbere de grafit și apă sau orice solvent, forțele sonomecanice, cum ar fi forfecarea ridicată, turbulențele intense și diferențele de presiune și temperatură ridicate creează condiții intense de energie. Aceste condiții intense de energie sunt rezultatul fenomenului de cavitație acustică.
Citiți mai multe despre cavitație cu ultrasunete aici!
Ultrasunetele de putere inițiază extinderea pulberii de grafit, deoarece fluidele sunt presate între straturile de grafen, din care este compus grafitul. Forțele de forfecare cu ultrasunete delaminează foile unice de grafen și le dispersează ca fulgi de grafen în soluție. Pentru a obține stabilitatea pe termen lung a grafenului în apă, este necesar un agent tensioactiv.
Mechnismul exfolierii cu ultrasunete în fază lichidă a exfolierii grafenului.
Studiu și imagine de Tyurnina și colab., 2021.
Ultrasonicators de înaltă performanță pentru exfolierea grafenului
Caracteristicile inteligente ale ultrasonicators Hielscher sunt concepute pentru a garanta funcționarea fiabilă, rezultate reproductibile și ușurința în utilizare. Setările operaționale pot fi accesate și formate cu ușurință prin intermediul meniului intuitiv, care poate fi accesat prin intermediul afișajului tactil color digital și al telecomenzii browserului. Prin urmare, toate condițiile de procesare, cum ar fi energia netă, energia totală, amplitudinea, timpul, presiunea și temperatura, sunt înregistrate automat pe un card SD încorporat. Acest lucru vă permite să revizuiți și să comparați rulările anterioare sonicare și pentru a optimiza procesul de exfoliere grafen la cea mai mare eficiență.
Hielscher Ultrasonics sisteme sunt utilizate în întreaga lume pentru fabricarea de foi de grafen de înaltă calitate și oxizi de grafen. Hielscher ultrasonicators industriale pot rula cu ușurință amplitudini mari în funcționare continuă (24/7/365). Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor generate continuu cu sonotrodes standard (sonde cu ultrasunete / coarne și CascatrodeTM). Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Datorită robusteții și întreținerii reduse, sistemele noastre de exfoliere cu ultrasunete sunt instalate în mod obișnuit pentru aplicații grele și în medii solicitante.
Hielscher procesoare cu ultrasunete pentru exfolierea grafenului sunt deja instalate la nivel mondial la scară comercială. Contactați-ne acum pentru a discuta despre procesul dvs. de fabricare a grafenului! Personalul nostru experimentat va fi bucuros să împărtășească mai multe informații despre procesul de exfoliere, sistemele cu ultrasunete și prețurile!
Pentru a afla mai multe despre sinteza grafenului cu ultrasunete, dispersie și funcționalizare, vă rugăm să faceți clic aici:
- Producția de grafen
- Nanoplachete de grafen
- Exfoliere cu grafen pe bază de apă
- Grafenul dispersabil în apă
- oxid de grafen
- Xenes
| Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500 ml | 10 până la 200 ml/min | UP100H |
| 10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 până la 20L | 00.2 până la 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L / min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersie, emulsionare și extracție pe laborator, pilot și scară industrială.
Literatură / Referințe
- 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.
Fapte care merită știute
Ce este grafenul?
Grafenul este un monostrat de sp2-atomi de carbon legați. Grafenul oferă caracteristici unice ale materialului, cum ar fi o suprafață specifică extraordinar de mare (2620 m2g-1), proprietăți mecanice superioare cu un modul Young de 1 TPa și o rezistență intrinsecă de 130 GPa, o conductivitate electronică extrem de ridicată (mobilitate electronică la temperatura camerei de 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), conductivitate termică foarte ridicată (peste 3000 W m K-1), pentru a numi cele mai importante proprietăți. Datorită proprietăților sale superioare ale materialului, grafenul este puternic utilizat în dezvoltarea și producția de baterii de înaltă performanță, celule de combustibil, celule solare, supercondensatoare, depozite de hidrogen, scuturi electromagnetice și dispozitive electronice. În plus, grafenul este încorporat în multe nanocompozite și materiale compozite ca aditiv de armare, de exemplu în polimeri, ceramică și matrici metalice. Datorită conductivității sale ridicate, grafenul este o componentă importantă a vopselelor și cernelurilor conductive.
Pregătirea rapidă și sigură cu ultrasunete a grafenului fără defecte la volume mari la costuri reduse permite extinderea aplicațiilor grafenului la tot mai multe industrii.
Grafenul este un strat de carbon gros de un atom, care poate fi descris ca o structură cu un singur strat sau 2D de grafen (grafen cu un singur strat = SLG). Grafenul are o suprafață specifică extraordinar de mare și proprietăți mecanice superioare (modulul lui Young de 1 TPa și rezistența intrinsecă de 130 GPa), oferă o conductivitate electronică și termică excelentă, mobilitate purtătoare de sarcină, transparență și este impermeabil la gaze. Datorită acestor caracteristici ale materialului, grafenul este utilizat ca aditiv de armare pentru a conferi compozitelor rezistența, conductivitatea etc. Pentru a combina caracteristicile grafenului cu alte materiale, grafenul trebuie dispersat în compus sau este aplicat ca un strat subțire pe un substrat.
Ultrasunete de înaltă performanță! Gama de produse Hielscher acoperă întregul spectru, de la ultrasunetele compacte de laborator la unitățile de laborator până la sistemele cu ultrasunete complet industriale.