Exfoliácia grafénu na vodnej báze
Ultrazvukový exfoliácia umožňuje produkovať niekoľkovrstvový grafén bez použitia drsných rozpúšťadiel len s použitím čistej vody. High-power ultrazvukom delamináta Graphene listy v krátkom ošetrení. Vyhýbanie sa rozpúšťadlám mení exfoliáciu grafénu na zelený, udržateľný proces.
Výroba grafénu prostredníctvom exfoliácie kvapalnej fázy
Graphene sa komerčne vyrába prostredníctvom takzvanej exfoliácie kvapalnej fázy. Exfoliácia grafénu v kvapalnej fáze si vyžaduje použitie toxických, environmentálne škodlivých a drahých rozpúšťadiel, ktoré sa používajú ako chemická predbežná úprava alebo v kombinácii s technikou mechanickej disperzie. Pre mechanickú disperziu grafénových listov, ultrazvukom bola stanovená ako vysoko spoľahlivá, efektívna a bezpečná technika na výrobu vysoko kvalitných grafénových listov vo veľkých množstvách na plne priemyselnej úrovni. Keďže používanie drsných rozpúšťadiel je vždy sprevádzané nákladmi, kontamináciou, komplexným odstránením a likvidáciou, bezpečnostnými obavami, ako aj environmentálnou záťažou, je výrazne výhodná netoxická a bezpečnejšia alternatíva. Graphene exfoliácia pomocou vody ako rozpúšťadlo a výkon ultrazvuk pre mechanickú delamináciu niekoľkých vrín grafén listy je preto vysoko sľubná technika pre výrobu zeleného grafénu.
Bežné rozpúšťadlá, ktoré sa často používajú ako kvapalná fáza na rozptýlenie nanosheetov grafénu, zahŕňajú dimetyl sulfoxid (DMSO), N,N-dimetylformamid (DMF), N-metyl-2-pyrrolidón (NMP), tetrametylmočovina (TMU), tetrahydrofurán (THF), propyléngyl-uhličitanateacetón (PC), etanol a formamid.
Ako už dlhodobo zavedená technika pre exfoliáciu grafénu v komerčnom meradle, ultrazvukom umožňuje produkovať vysoko kvalitný grafén vysokej čistoty za nízke náklady. Ako ultrazvukový Graphene exfoliácia môže byť úplne lineárne škálované na akýkoľvek objem, výrobný výnos vysoko kvalitných grafénových vločiek možno ľahko implementovať pre masovú výrobu grafénu.
UIP2000hdT je 2kW výkonný ultrazvukový rozptyľovač na exfoliáciu a disperziu grafénu.
Ultrazvukový exfoliácia grafénu vo vode
Tyurnina et al. (2020) skúmali účinky amplitúdy a intenzity ultrazvukom na čisté vodno-grafitové roztoky a výslednú exfoliáciu grafénu. V štúdii použili Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultrazvuková exfoliácia pomocou vody bola aplikovaná ako jednostupňový proces pre delamináciu grafénu niekoľkých vrstiev. Krátke ošetrenie 2h stačilo na výrobu niekoľkých vrstiev grafénu v otvorenej ultrazvukom v kadičke.
Vysokorýchlostná sekvencia (od a po f) rámov znázorňujúca sonomechanické odlupovanie grafitovej vločky vo vode pomocou UP200s, ultrazvukom 24 kHz s 3-mm sonotródou. Šípky ukazujú miesto rozdelenia (exfoliácie) s kavitačnými bublinami prenikajúcimi do rozdelenia.
© Ťurnina a kol., 2020
Optimalizácia ultrazvukovej exfoliácie grafénu
Ultrazvukové nastavenie používané Tyurnina et al. (2020) môže byť ľahko optimalizované pre väčšiu účinnosť a rýchlejšiu exfoliáciu pomocou uzavretého ultrazvukového reaktora v prietokovom režime. Ultrazvukový inline liečba umožňuje výrazne jednotnejšie ultrazvukové ošetrenie všetkých grafitových surovín: kŕmenie grafit / vodný roztok priamo do uzavretého priestoru ultrazvukovej kavitácie, všetky grafit sa stáva rovnomerne sonicated vedie k vysokej výnosu vysoko kvalitné Graphene vločky.
Hielscher Ultrasonics systémy umožňujú presnú kontrolu nad všetkými dôležitými parametrami spracovania, ako je amplitúda, čas / retencia, energetický vstup (Ws / ml), tlak a teplota. Nastavenie optimálnych ultrazvukových parametrov vedie k najvyššiemu výnosu, kvalite a celkovej účinnosti.
Ako ultrazvukom podporovať Graphene exfoliácia
Keď sú vysokovýkonné ultrazvukové vlny spojené s kalom grafitového prášku a vody alebo akéhokoľvek rozpúšťadla, sonomechanické sily, ako sú vysoké šmykové, intenzívne turbulencie a vysokotlakové a teplotné diferenciály vytvárajú energeticky intenzívne podmienky. Tieto energeticky intenzívne podmienky sú výsledkom fenoménu akustickej kavitácie.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej kavitácie tu!
Výkon ultrazvuk iniciuje rozšírenie grafitového prášku, pretože tekutiny sú lisované medzi vrstvami grafénu, z ktorých sa skladá grafit. Ultrazvukový nožnické sily delamináť jednotlivé listy grafénu a rozptýliť ich ako Graphene vločky v roztoku. Na dosiahnutie dlhodobej stability grafénu vo vode je potrebná povrchovo aktívna látky.
Mechnism ultrazvukovej kvapalnej fázy exfoliácie grafén exfoliácie.
Študuj a na snímke Tyurnina et al., 2021.
Vysokovýkonné ultrasonicators pre exfoliáciu grafénu
Inteligentné vlastnosti Hielscher ultrasonicators sú navrhnuté tak, aby zaručili spoľahlivú prevádzku, reprodukovateľné výsledky a užívateľskú prívetivosť. Prevádzkové nastavenia sú ľahko prístupné a vytáčané prostredníctvom intuitívneho menu, ktoré je prístupné prostredníctvom digitálneho farebného dotykového displeja a diaľkového ovládania prehliadača. Preto sa na vstavanej SD karte automaticky zaznamenávajú všetky podmienky spracovania, ako je čistá energia, celková energia, amplitúda, čas, tlak a teplota. To vám umožní revidovať a porovnať predchádzajúce ultrazvukom beží a optimalizovať proces exfoliácie grafénu na najvyššiu účinnosť.
Hielscher Ultrasonics systémy sa používajú po celom svete pre výrobu vysoko kvalitných grafénových listov a oxidov grafénu. Hielscher priemyselné ultrasonicators môže ľahko spustiť vysoké amplitúdy v nepretržitej prevádzke (24/7/365). Amplitúdy až do 200 μm môžu byť ľahko nepretržite generované so štandardnými sonotrodes (Ultrazvukové sondy / rohy a cascatrodesTm). Pre ešte vyššie amplitúdy, prispôsobené ultrazvukové sonotród sú k dispozícii. Vďaka svojej robustnosti a nízkej údržbe sú naše ultrazvukové exfoliačné systémy bežne inštalované pre náročné aplikácie a v náročných prostrediach.
Hielscher Ultrazvukové procesory pre Graphene exfoliácie sú už inštalované po celom svete v komerčnom meradle. Kontaktujte nás teraz diskutovať o vašom procese výroby grafénu! Naši skúsení zamestnanci sa radi podelia o viac informácií o procese exfoliácie, ultrazvukových systémoch a cenách!
Ak sa chcete dozvedieť viac o ultrazvukovej syntéze grafénu, disperzii a funkcionalizácii, kliknite sem:
- Výroba grafénu
- Grafénové nanodoštičky
- Exfoliácia grafénu na vodnej báze
- grafén dispergovateľný vodou
- Grafénový oxid
- Xenóny
| Objem šarže | prietok | Odporúčané Devices |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 02 až 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10 l / min | UIP4000hdT |
| neuv | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| neuv | väčšia | strapec UIP16000 |
Kontaktuj nás! / Opýtajte sa nás!
Hielscher Ultrazvukom vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory pre miešanie aplikácií, disperzie, emulgácie a extrakcie na laboratórne, pilotné a priemyselné meradle.
Literatúra/referencie
- 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 stojí za to vedieť
Čo je Graphene?
Graphene je jednovrstvová z SP2-viazané atómy uhlíka. Graphene ponúka unikátne materiálne vlastnosti, ako je mimoriadna Veľká špecifická povrchová plocha (2620 m2G-1.), vynikajúce mechanické vlastnosti s modulom Young z 1 TPa a vnútornú pevnosť 130 GPa, extrémne vysoká elektronická vodivosť (Room-teplota elektrónové mobility 2,5 × 105 cm2 V-1.S-1.), veľmi vysoká Tepelná vodivosť (nad 3000 W m K-1.), aby sme vymenovali najdôležitejšie vlastnosti. Vzhľadom k svojej vynikajúcej vlastnosti materiálu, Graphene je silne používaný vo vývoji a výrobe vysokovýkonných batérií, palivové články, solárne články, superkondenzátor, vodíkové sklady, elektromagnetické štíty a elektronické zariadenia. Okrem toho, grafén je začlenený do mnohých nanokompozitných materiálov a kompozitné materiály ako posilnenie doplnkovej látky, napríklad v polymérov, keramiky a kovových matríc. Vzhľadom k svojej vysokej vodivosti, Graphene je dôležitou zložkou vodivé farby a atramenty.
Rýchla a bezpečná ultrazvuková príprava bezdefektného grafénu vo veľkých objemoch pri nízkych nákladoch umožňuje rozšíriť aplikácie grafénu do čoraz väčšieho počtu priemyselných odvetví.
Graphene je jeden-Atom-silná vrstva uhlíka, ktoré možno opísať ako jednovrstvové alebo 2D štruktúra Graphene (jedna vrstva Graphene = SLG). Graphene má mimoriadne veľké špecifické plochy a vynikajúce mechanické vlastnosti (Young modul z 1 TPA a vnútornú pevnosť 130 GPA), ponúka veľké elektronické a tepelné vodivosť, nabíjanie dopravcu mobility, transparentnosť, a je nepriepmovateľné na plyny. Vzhľadom k týmto materiálom vlastnosti, Graphene sa používa ako posilnenie doplnkovej látky, aby kompozitov jeho silu, vodivosť, atď. Aby bolo možné kombinovať vlastnosti Graphene s inými materiálmi, grafén sa musí rozptýliť do zlúčeniny alebo sa aplikuje ako tenký povlak na podklad.
Vysokovýkonné ultrazvukom! Produktový rad Hielscher pokrýva celé spektrum od kompaktného laboratórneho ultrasonicatoru cez stolové jednotky až po plnoindustriálne ultrazvukové systémy.