Пилинг графена на водной основе
Ультразвуковое отшелушивание позволяет получать малослойный графен без использования агрессивных растворителей с использованием только чистой воды. Мощная ультразвуковая обработка расслаивает графеновые листы за короткое время. Отказ от растворителей превращает отшелушивание графена в экологичный, устойчивый процесс.
Получение графена с помощью жидкофазного отшелушивания
Графен коммерчески производится с помощью так называемого жидкофазного отшелушивания. Жидкофазное отслаивание графена требует использования токсичных, экологически вредных и дорогих растворителей, которые используются в качестве химической предварительной обработки или в сочетании с методом механического диспергирования. Для механического диспергирования графеновых листов ультразвук был признан высоконадежным, эффективным и безопасным методом для производства высококачественных графеновых листов в больших количествах на полностью промышленном уровне. Поскольку использование агрессивных растворителей всегда сопряжено с затратами, загрязнением, сложным удалением и утилизацией, проблемами безопасности, а также нагрузкой на окружающую среду, нетоксичная и безопасная альтернатива является значительно выгоднее. Таким образом, отшелушивание графена с использованием воды в качестве растворителя и силовой ультразвук для механического расслоения нескольких слоев графеновых листов является весьма перспективным методом для производства зеленого графена.
К распространенным растворителям, которые часто используются в жидкой фазе для диспергирования графеновых нанолистов, относятся диметилсульфоксид (ДМСО), N,N-диметилформамид (ДМФА), N-метил-2-пирролидон (NMP), тетраметилмочевина (ТМУ), тетрагидрофуран (ТГФ), пропиленкарбонатацетон (ПК), этанол и формамид.
Являясь уже давно зарекомендовавшим себя методом отшелушивания графена в промышленных масштабах, ультразвук позволяет получать высококачественный графен высокой чистоты при низких затратах. Поскольку ультразвуковое отслоение графена может быть полностью линейно масштабировано до любого объема, выход высококачественных графеновых хлопьев может быть легко реализован для массового производства графена.
UIP2000hdT - это мощный ультразвуковой диспергатор мощностью 2 кВт для отшелушивания и диспергирования графена.
Ультразвуковое отшелушивание графена в воде
Tyurnina et al. (2020) исследовали влияние амплитуды и интенсивности ультразвука на чистые водно-графитовые растворы и результирующее отслаивание графена. В исследовании они использовали Hielscher UP200S (200 Вт, 24 кГц). Ультразвуковое отшелушивание с использованием воды применялось в качестве одного этапа для многослойного расслоения графена. Короткой обработки в течение 2 часов было достаточно для получения многослойного графена в открытой установке ультразвуковой обработки.
Высокоскоростная последовательность кадров (от a до f), иллюстрирующая сономеханическое отслаивание графитовой чешуйки в воде с использованием UP200s, ультразвукового аппарата с частотой 24 кГц и 3-мм сонотродом. Стрелками показано место расщепления (отслаивания) с проникновением в раскол кавитационных пузырьков.
© Тюрнина и др., 2020
Оптимизация ультразвукового графенового отшелушивания
Ультразвуковая установка, используемая Tyurnina et al. (2020), может быть легко оптимизирована для повышения эффективности и ускорения отшелушивания за счет использования закрытого ультразвукового реактора в проточном режиме. Ультразвуковая поточная обработка позволяет проводить значительно более равномерную ультразвуковую обработку всего графитового сырья: при подаче раствора графита / воды непосредственно в замкнутое пространство ультразвуковой кавитации, весь графит равномерно обрабатывается ультразвуком, что приводит к высокому выходу высококачественных графеновых хлопьев.
Ультразвуковые системы Hielscher позволяют точно контролировать все важные параметры обработки, такие как амплитуда, время/удержание, потребляемая энергия (Вт/мл), давление и температура. Установка оптимальных параметров ультразвука приводит к высочайшему выходу, качеству и общей эффективности.
Как ультразвук способствует отшелушиванию графена
Когда мощные ультразвуковые волны соединяются с суспензией из графитового порошка и воды или любого растворителя, сономеханические силы, такие как большой сдвиг, интенсивные турбулентности и высокие перепады давления и температуры, создают энергоемкие условия. Эти энергоемкие условия являются результатом явления акустической кавитации.
Подробнее об ультразвуковой кавитации читайте здесь!
Силовой ультразвук инициирует расширение графитового порошка, так как жидкости сжимаются между слоями графена, из которых состоит графит. Ультразвуковые сдвиговые силы расслаивают отдельные листы графена и диспергируют их в виде чешуек графена в растворе. Для получения долговременной стабильности графена в воде требуется поверхностно-активное вещество.
Механизм ультразвукового жидкофазного отшелушивания графенового отслаивания.
Исследование и рисунок Тюрниной и др., 2021.
Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для графенового отшелушивания
Интеллектуальные функции ультразвуковых аппаратов Hielscher разработаны для того, чтобы гарантировать надежную работу, воспроизводимые результаты и удобство использования. Доступ к рабочим настройкам и набор осуществляется через интуитивно понятное меню, доступ к которому осуществляется с помощью цифрового цветного сенсорного дисплея и пульта дистанционного управления в браузере. Таким образом, все условия обработки, такие как чистая энергия, общая энергия, амплитуда, время, давление и температура, автоматически записываются на встроенную SD-карту. Это позволяет просматривать и сравнивать предыдущие прогоны ультразвука и оптимизировать процесс отшелушивания графена с максимальной эффективностью.
Ультразвуковые системы Hielscher используются во всем мире для производства высококачественных графеновых листов и оксидов графена. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут легко работать с высокой амплитудой в непрерывной работе (24/7/365). Амплитуды до 200 мкм могут быть легко непрерывно сгенерированы с помощью стандартных сонотродов (ультразвуковых зондов / рупоров и рупоров и КаскатродыТМ). Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Благодаря своей прочности и неприхотливости в обслуживании наши ультразвуковые системы отшелушивания обычно устанавливаются для тяжелых условий эксплуатации и в сложных условиях.
Ультразвуковые процессоры Hielscher для отшелушивания графена уже установлены во всем мире в промышленных масштабах. Свяжитесь с нами сейчас, чтобы обсудить ваш процесс производства графена! Наш опытный персонал будет рад поделиться более подробной информацией о процессе отшелушивания, ультразвуковых системах и ценах!
Чтобы узнать больше о синтезе, диспергировании и функционализации ультразвукового графена, нажмите здесь:
- Производство графена
- Графеновые нанопластинки
- Пилинг графена на водной основе
- Водно-диспергируемый графен
- оксид графена
- ксенес
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.
Литература / Литература
- 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.
Факты, которые стоит знать
Что такое графен?
Графен представляет собой монослой sp2-связанные атомы углерода. Графен обладает уникальными характеристиками материала, такими как необычайно большая удельная площадь поверхности (2620 м)2g-1), превосходные механические свойства с модулем Юнга 1 ТПа и собственной прочностью 130 ГПа, чрезвычайно высокой электронной проводимостью (подвижность электронов при комнатной температуре 2,5 × 105 см2 V-1s-1), очень высокая теплопроводность (выше 3000 Вт м К-1), чтобы назвать наиболее важные свойства. Благодаря своим превосходным свойствам материала, графен активно используется при разработке и производстве высокопроизводительных аккумуляторов, топливных элементов, солнечных батарей, суперконденсаторов, накопителей водорода, электромагнитных экранов и электронных устройств. Кроме того, графен входит во многие нанокомпозиты и композиционные материалы в качестве армирующей добавки, например, в полимеры, керамику и металлические матрицы. Благодаря своей высокой проводимости графен является важным компонентом проводящих красок и чернил.
Быстрое и безопасное ультразвуковое получение бездефектного графена в больших объемах при низких затратах позволяет расширить область применения графена во все большем количестве отраслей промышленности.
Графен представляет собой слой углерода толщиной в один атом, который можно описать как однослойную или двумерную структуру графена (однослойный графен = SLG). Графен обладает необычайно большой удельной поверхностью и превосходными механическими свойствами (модуль Юнга 1 ТПа и собственная прочность 130 ГПа), обеспечивает большую электронную и теплопроводность, подвижность носителей заряда, прозрачность и непроницаем для газов. Благодаря этим характеристикам материала графен используется в качестве армирующей добавки для придания композитам прочности, проводимости и т.д. Для того чтобы совместить характеристики графена с другими материалами, графен должен быть диспергирован в соединении или нанесен на подложку в виде тонкопленочного покрытия.
Высокопроизводительный ультразвук! Ассортимент продукции Hielscher охватывает весь спектр от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов и настольных установок до полностью промышленных ультразвуковых систем.