Exfoliácia grafénu vo vode
Ultrazvuková exfoliácia umožňuje vyrábať grafén s niekoľkými vrstvami bez použitia agresívnych rozpúšťadiel, iba s použitím čistej vody. Sonikácia s vysokým výkonom delaminuje grafénové vrstvy počas krátkeho spracovania. Vylúčenie rozpúšťadiel mení exfoliáciu grafénu na ekologický a udržateľný proces.
Výroba grafénu exfoliáciou v kvapalnej fáze
Grafén sa komerčne vyrába takzvanou exfoliáciou v kvapalnej fáze. Exfoliácia grafénu v kvapalnej fáze vyžaduje použitie toxických, environmentálne škodlivých a drahých rozpúšťadiel, ktoré sa používajú na chemickú predúpravu alebo v kombinácii s technikou mechanickej dispergácie. Pri mechanickej dispergácii grafénových vrstiev sa ultrazvukové spracovanie etablovalo ako vysoko spoľahlivá, účinná a bezpečná technika na výrobu vysokokvalitných grafénových vrstiev vo veľkých množstvách v plnom priemyselnom meradle. Keďže používanie agresívnych rozpúšťadiel vždy sprevádzajú náklady, kontaminácia, zložité odstraňovanie a likvidácia, bezpečnostné riziká aj environmentálna záťaž, netoxická a bezpečnejšia alternatíva predstavuje výraznú výhodu. Exfoliácia grafénu s použitím vody ako rozpúšťadla a výkonového ultrazvuku na mechanickú delamináciu grafénových vrstiev s niekoľkými vrstvami je preto veľmi sľubnou technikou ekologickej výroby grafénu.
Medzi bežné rozpúšťadlá, ktoré sa často používajú ako kvapalná fáza na dispergovanie grafénových nanovrstiev, patria dimetylsulfoxid (DMSO), N,N-dimetylformamid (DMF), N-metyl-2-pyrolidón (NMP), tetrametylmočovina (TMU), tetrahydrofurán (THF), propylénkarbonátacetón (PC), etanol a formamid.
Ako už dlhodobo zavedená technika exfoliácie grafénu v komerčnom meradle umožňuje ultrazvukové spracovanie vyrábať vysokokvalitný grafén s vysokou čistotou pri nízkych nákladoch. Keďže ultrazvukovú exfoliáciu grafénu možno úplne lineárne škálovať na akýkoľvek objem, dosahovanie výťažku vysokokvalitných grafénových vločiek možno ľahko zaviesť do hromadnej výroby grafénu.
UIP2000hdT je výkonný ultrazvukový dispergátor s výkonom 2kW na exfoliáciu a dispergáciu grafénu.
Ultrazvuková exfoliácia grafénu vo vode
Tyurnina et al. (2020) skúmali účinky amplitúdy a intenzity sonikácie na roztoky čistej vody a grafitu a na výslednú exfoliáciu grafénu. V štúdii použili Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultrazvuková exfoliácia s použitím vody sa uplatnila ako jednokrokový proces delaminácie grafénu s niekoľkými vrstvami. Krátke spracovanie trvajúce 2h postačovalo na výrobu grafénu s niekoľkými vrstvami v sonikačnej zostave s otvorenou kadičkou.
Vysokorýchlostná sekvencia snímok (od a po f) znázorňujúca sonomechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou UP200s, ultrazvukového prístroja s frekvenciou 24 kHz a sonotródou s priemerom 3 mm. Šípky označujú miesto štiepenia (exfoliácie), pričom do vznikajúcej štrbiny prenikajú kavitačné bubliny.
© Tyurnina et al., 2020
Optimalizácia ultrazvukovej exfoliácie grafénu
Ultrazvukovú zostavu použitú v štúdii Tyurnina et al. (2020) možno ľahko optimalizovať na vyššiu účinnosť a rýchlejšiu exfoliáciu použitím uzavretého ultrazvukového reaktora v prietokovom režime. Ultrazvukové spracovanie priamo v potrubí umožňuje výrazne rovnomernejšie ultrazvukové spracovanie celej grafitovej suroviny: privádzaním roztoku grafitu a vody priamo do ohraničeného priestoru ultrazvukovej kavitácie sa všetok grafit rovnomerne sonikuje, čo vedie k vysokému výťažku vysokokvalitných grafénových vločiek.
Systémy Hielscher Ultrasonics umožňujú presnú reguláciu všetkých dôležitých parametrov spracovania, ako sú amplitúda, čas / doba zdržania, vnesená energia (Ws/mL), tlak a teplota. Nastavenie optimálnych ultrazvukových parametrov vedie k najvyššiemu výťažku, kvalite a celkovej účinnosti.
Ako ultrazvukové spracovanie podporuje exfoliáciu grafénu
Keď sa ultrazvukové vlny s vysokým výkonom prenášajú do suspenzie grafitového prášku a vody alebo ľubovoľného rozpúšťadla, sonomechanické sily, ako sú vysoké šmykové sily, intenzívne turbulencie a veľké rozdiely tlaku a teploty, vytvárajú podmienky s vysokou koncentráciou energie. Tieto podmienky s vysokou koncentráciou energie sú výsledkom javu akustickej kavitácie.
Viac o ultrazvukovej kavitácii si prečítajte tu!
Výkonový ultrazvuk iniciuje rozpínanie grafitového prášku, pretože kvapaliny sa vtláčajú medzi grafénové vrstvy, z ktorých sa grafit skladá. Ultrazvukové šmykové sily delaminujú jednotlivé grafénové vrstvy a dispergujú ich v roztoku vo forme grafénových vločiek. Na dosiahnutie dlhodobej stability grafénu vo vode je potrebná povrchovo aktívna látka.
Mechanizmus ultrazvukovej exfoliácie grafénu v kvapalnej fáze.
Štúdia a obrázok: Tyurnina et al., 2021.
Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na exfoliáciu grafénu
Inteligentné funkcie ultrazvukových prístrojov Hielscher sú navrhnuté tak, aby zaručovali spoľahlivú prevádzku, reprodukovateľné výsledky a jednoduché používanie. Prevádzkové nastavenia možno ľahko vyhľadať a zvoliť prostredníctvom intuitívneho menu, ktoré je dostupné cez digitálny farebný dotykový displej a diaľkové ovládanie cez prehliadač. Všetky podmienky spracovania, ako sú čistá energia, celková energia, amplitúda, čas, tlak a teplota, sa preto automaticky zaznamenávajú na zabudovanú SD kartu. To vám umožňuje kontrolovať a porovnávať predchádzajúce sonikačné cykly a optimalizovať proces exfoliácie grafénu na najvyššiu účinnosť.
Systémy Hielscher Ultrasonics sa na celom svete používajú na výrobu vysokokvalitných grafénových vrstiev a oxidov grafénu. Priemyselné ultrazvukové prístroje Hielscher dokážu ľahko pracovať s vysokými amplitúdami v nepretržitej prevádzke (24/7/365). Amplitúdy až do 200µm možno ľahko nepretržite generovať pomocou štandardných sonotród (ultrazvukových sond / rohov a CascatrodesTM). Na dosiahnutie ešte vyšších amplitúd sú dostupné ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Vďaka svojej robustnosti a nízkym nárokom na údržbu sa naše ultrazvukové exfoliačné systémy bežne inštalujú na náročné aplikácie a do náročných prostredí.
Ultrazvukové procesory Hielscher na exfoliáciu grafénu sú už nainštalované na celom svete v komerčnom meradle. Kontaktujte nás ešte dnes a prediskutujte s nami svoj proces výroby grafénu! Naši skúsení pracovníci vám radi poskytnú ďalšie informácie o procese exfoliácie, ultrazvukových systémoch a cenách!
Ak sa chcete dozvedieť viac o ultrazvukovej syntéze, dispergácii a funkcionalizácii grafénu, kliknite sem:
- Výroba grafénu
- Grafénové nanodoštičky
- Exfoliácia grafénu vo vode
- Grafén dispergovateľný vo vode
- Oxid grafénu
- Xény
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | vyšší | zoskupenie zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergáciu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, poloprevádzkovom a priemyselnom meradle.
Literatúra / Referencie
- 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.
Užitočné fakty
Čo je grafén?
Grafén je monovrstva atómov uhlíka s väzbami sp2. Grafén ponúka jedinečné materiálové vlastnosti, napríklad mimoriadne veľký merný povrch (2620 m2 g-1), vynikajúce mechanické vlastnosti s Youngovým modulom 1 TPa a vlastnou pevnosťou 130 GPa, extrémne vysokú elektrickú vodivosť (pohyblivosť elektrónov pri izbovej teplote 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), veľmi vysokú tepelnú vodivosť (nad 3000 W m K-1), ak uvedieme tie najdôležitejšie vlastnosti. Vďaka svojim vynikajúcim materiálovým vlastnostiam sa grafén vo veľkej miere používa pri vývoji a výrobe vysokovýkonných batérií, palivových článkov, solárnych článkov, superkondenzátorov, zásobníkov vodíka, elektromagnetických tienení a elektronických zariadení. Okrem toho sa grafén pridáva do mnohých nanokompozitov a kompozitných materiálov ako spevňujúca prísada, napr. do polymérov, keramiky a kovových matríc. Vďaka svojej vysokej vodivosti je grafén dôležitou zložkou vodivých náterových látok a atramentov.
Rýchla a bezpečná ultrazvuková príprava grafénu bez defektov vo veľkých objemoch pri nízkych nákladoch umožňuje rozširovať použitie grafénu do čoraz väčšieho počtu priemyselných odvetví.
Grafén je vrstva uhlíka s hrúbkou jedného atómu, ktorú možno opísať ako jednovrstvovú alebo 2D štruktúru grafénu (jednovrstvový grafén = SLG). Grafén má mimoriadne veľký merný povrch a vynikajúce mechanické vlastnosti (Youngov modul 1 TPa a vlastnú pevnosť 130 GPa), ponúka výbornú elektrickú a tepelnú vodivosť, pohyblivosť nosičov náboja, priehľadnosť a je nepriepustný pre plyny. Vďaka týmto materiálovým vlastnostiam sa grafén používa ako spevňujúca prísada, ktorá kompozitom dodáva jeho pevnosť, vodivosť atď. Na spojenie vlastností grafénu s inými materiálmi sa grafén musí dispergovať do zmesi alebo sa nanáša na substrát ako tenkovrstvový povlak.
Vysokovýkonná ultrazvuková technika! Sortiment spoločnosti Hielscher pokrýva celé spektrum od kompaktného laboratórneho ultrazvukového prístroja cez stolové jednotky až po plne priemyselné ultrazvukové systémy.