Exfolierea grafenului 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 delaminate foi de grafen într-un tratament scurt. Evitarea solvenților transformă exfolierea grafenului într-un proces verde, 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 solvenților toxici, nocivi pentru mediu și scumpi, care sunt utilizați ca pretratare chimică sau în combinație cu/cu o tehnică de dispersie mecanică. Pentru dispersia mecanică a foilor de grafen, ultrasonication a fost stabilit ca 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, îndepărtarea și eliminarea complexă, probleme de siguranță, precum și sarcina de mediu, o alternativă netoxică și mai sigură este semnificativ avantajoasă. Exfolierea grafenului folosind apa ca solvent și puterea ultrasunetelor pentru delaminarea mecanică a câtorva foi de grafen strat este, prin urmare, o tehnică extrem de promițătoare pentru o fabricație de grafen verde.
Solvenții comuni, care sunt adesea utilizați ca fază lichidă pentru dispersarea nanofoilor de grafen, includ dimetil sulfoxid (DMSO), N,N-dimetilformamidă (DMF), N-metil-2-pyrrolidonă (NMP), Tetrametilurea (TMU), Tetrahidrofuran (THF), propilen carbonatacetonă (PC), etanol și formamidă.
Ca o tehnică deja pe termen lung stabilit pentru exfolierea grafenului la scară comercială, ultrasonication permite să producă grafen de înaltă calitate de înaltă puritate la costuri reduse. Deoarece exfolierea cu ultrasunete a grafenului poate fi complet liniară scalată la orice volum, randamentul producției de fulgi de grafen de înaltă calitate poate fi ușor de implementat pentru producția în masă de grafen.
La UIP2000hdT este un dispersor cu ultrasunete 2kW puternic pentru exfolierea grafenului și dispersie.
Exfolierea cu ultrasunete a grafenului în apă
Tyurnina et al. (2020) au investigat efectele amplitudinii și intensității sonicare asupra soluțiilor pure de apă-grafit și exfolierea grafenului rezultat. În studiu, au folosit un Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Exfolierea cu ultrasunete folosind apă a fost aplicat ca un proces cu un singur pas pentru delaminare a grafenului cu câteva straturi. Un tratament scurt de 2h a fost suficient pentru a produce grafen cu câteva straturi într-un setup sonicare pahar deschis.
O secvență de mare viteză (de la a la f) de cadre care ilustrează 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 divizare (exfoliere) cu bule de cavitație care pătrund în divizare.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Optimizarea exfolierii grafenului cu ultrasunete
Configurarea cu ultrasunete utilizate de Tyurnina et al. (2020) poate fi ușor optimizat pentru mai multă eficiență și exfoliere mai rapidă prin utilizarea unui reactor cu ultrasunete închis în modul de curgere. Tratamentul cu ultrasunete în linie permite un tratament cu ultrasunete semnificativ mai uniformă a tuturor materiilor prime de grafit: hrănirea grafitului / soluției de apă direct în spațiul închis de cavitație cu ultrasunete, toate grafitul devine uniform sonicat rezultând într-un randament ridicat de fulgi de grafen de înaltă calitate.
Hielscher Ultrasonics sisteme permite un control precis asupra tuturor parametrilor de prelucrare importante, ar fi amplitudinea, timp / retenție, de intrare de energie (Ws / mL), presiune, și temperatura. Setarea parametrilor optimi cu ultrasunete duce la cel mai mare randament, calitate și eficiență generală.
ultrasonication promova exfolierea grafenului
Atunci când undele cu ultrasunete de mare putere sunt cuplate într-o dejecție de praf de grafit și apă sau orice solvent, forțele sonomechanical, ar fi forfecare de mare, turbulențe intense și diferențe de înaltă presiune și temperatură creează condiții intense de energie. Aceste condiții intense din cauza energiei sunt rezultatul fenomenului cavitației acustice. Citiți mai multe despre cavitație cu ultrasunete aici!
Puterea ultrasunetelor inițiază extinderea pulberii de grafit, deoarece fluidele sunt presate între straturile de grafen, din care este compus grafitul. Forțele de forfecare cu ultrasunete delaminat foi unice de grafen și dispersa-le ca fulgi de grafen în soluție. Pentru a obține stabilitatea pe termen lung a grafenului în apă, este necesar un agent tensioactiv.
Mechnismul exfolierii în fază lichidă cu ultrasunete a exfolierii grafenului.
Studiu și imagine de Tyurnina et al., 2021.
Ultrasonicators de înaltă performanță pentru exfolierea grafenului
Caracteristicile inteligente ale ultrasonicators Hielscher sunt concepute pentru a garanta funcționarea fiabilă, rezultate reproductibile și ușurința de utilizare. Setările operaționale pot fi accesate și apelate cu ușurință prin intermediul unui meniu intuitiv, care poate fi accesat prin intermediul afișajului tactil color digital și al telecomenzii browserului. Prin urmare, toate condițiile de prelucrare, 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 rulează sonicare anterioare și pentru a optimiza procesul de exfoliere grafen la cea mai mare eficiență.
Hielscher Ultrasonics sisteme sunt utilizate la nivel mondial 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). Amplitudini de până la 200μm pot fi generate cu ușurință continuu cu sonotrodes standard (sonde cu ultrasunete / coarne și CascatrodesTm). Pentru amplitudini chiar mai mare, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Datorită robusteței lor și întreținerii reduse, sistemele noastre de exfoliere cu ultrasunete sunt frecvent instalate 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 de fabricație a grafenului! Personalul nostru bine experimentat va fi bucuros să împărtășească mai multe informații cu privire la procesul de exfoliere, sisteme cu ultrasunete și de stabilire a prețurilor!
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre:
| volum lot | Debit | Aparate recomandate |
|---|---|---|
| 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 |
Contacteaza-ne! / Intreaba-ne!
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru amestecarea aplicațiilor, dispersie, emulsificare și extracție pe scară de laborator, pilot și industrial.
Literatură / Referințe
- 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.
Ce trebuie să știți
Grafenul
Grafenul este un monostrat de sp2atomi de carbon -bonded. Grafenul oferă caracteristici unice ale materialului, cum ar fi o zonă extraordinar de mare suprafață specifică (2620 m2g-1 de), Proprietăți mecanice superioare, cu modul Young de 1 TPA și o tărie intrinsecă de 130 GPa, o conductivitate electrică extrem de mare (mobilitate electroni temperatura camerei de 2,5 x 105 cm2 V-1 des-1 de), O conductivitate termică foarte ridicată (peste 3000 W m K-1 de), Pentru a numi cele mai importante proprietăți. Datorita proprietatilor sale materiale superioare, grafen este foarte utilizat în dezvoltarea și producția de baterii de înaltă performanță, pile de combustie, celule solare, Supercapacitor, depozite de hidrogen, scuturi electromagnetice și dispozitive electronice. Mai mult, graphene este încorporată în multe nanocompozite și materiale compozite ca aditiv de ranforsare, de exemplu în polimeri, ceramică și matrici metalice. Datorită conductivității sale ridicate, grafen este o componentă importantă a vopselelor conductoare și cerneluri.
Rapid și în condiții de siguranță preparare cu ultrasunete graphene fara defecte la volume mari la costuri reduse permite extinderea aplicațiilor de grafen la tot mai multe industrii.
Grafenul este un strat de carbon gros de un atom, care poate fi descris ca o structură de un singur strat sau 2D de grafen (un singur strat de grafină = SLG). Grafenul are o suprafață specifică deosebit de mare și proprietăți mecanice superioare (modulul Young de 1 TPa și rezistența intrinsecă de 130 GPa), oferă o conductivitate electronică și termică excelentă, mobilitatea transportatorului de încărcătură, transparența și este impermeabilă la gaze. Datorită acestor caracteristici materiale, grafenul este utilizat ca aditiv de ranforsare pentru a conferi compozite rezistența, conductivitatea etc. Pentru a combina caracteristicile grafenului cu alte materiale, grafenul trebuie dispersat în compus sau este aplicat sub forma unui strat de film subțire pe un substrat.
Ultrasonice de înaltă performanță! Gama de produse Hielscher acoperă întregul spectru de la ultrasonicator de laborator compact peste unități banc-top la sisteme ultrasonice full-industriale.