Peeling grafénu na vodnej báze
Ultrazvuková exfoliácia umožňuje vyrábať niekoľkovrstvový grafén bez použitia agresívnych rozpúšťadiel iba s použitím čistej vody. Vysokovýkonná sonikácia delaminuje grafénové dosky v krátkom spracovaní. Vyhýbanie sa rozpúšťadlám mení exfoliáciu grafénu na zelený a udržateľný proces.
Výroba grafénu prostredníctvom exfoliácie v kvapalnej fáze
Grafén sa komerčne vyrába prostredníctvom takzvanej exfoliácie v kvapalnej fáze. Exfoliácia grafénu v kvapalnej fáze 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 dosiek bola ultrazvuk stanovená ako vysoko spoľahlivá, efektívna a bezpečná technika na výrobu vysokokvalitných grafénových dosiek vo veľkých množstvách na plne priemyselnej úrovni. Keďže použitie drsných rozpúšťadiel je vždy spojené s nákladmi, kontamináciou, komplexným odstránením a likvidáciou, obavami o bezpečnosť, ako aj záťažou životného prostredia, je netoxická a bezpečnejšia alternatíva výrazne výhodná. Grafénová exfoliácia s použitím vody ako rozpúšťadla a výkonového ultrazvuku na mechanickú delamináciu niekoľkých vrstiev grafénových dosiek je preto veľmi sľubnou technikou pre výrobu zeleného grafénu.
Bežné rozpúšťadlá, ktoré sa často používajú ako kvapalná fáza na rozptýlenie grafénových nanolistov, zahŕňajú dimetylsulfoxid (DMSO), N,N-dimetylformamid (DMF), N-metyl-2-pyrrolidón (NMP), tetrametylmočovinu (TMU), tetrahydrofurán (THF), propylénkarbonátacetón (PC), etanol a formamid.
Ako už dlhodobo zavedená technika exfoliácie grafénu v komerčnom meradle umožňuje ultrazvuk vyrábať vysokokvalitný grafén vysokej čistoty pri nízkych nákladoch. Keďže ultrazvuková exfoliácia grafénu môže byť úplne lineárne škálovaná na akýkoľvek objem, výťažnosť vysokokvalitných grafénových vločiek je možné ľahko implementovať na hromadnú výrobu grafénu.
UIP2000hdT je výkonný ultrazvukový dispergátor s výkonom 2 kW na exfoliáciu a disperziu grafénu.
Ultrazvuková exfoliácia grafénu vo vode
Tyurnina et al. (2020) skúmali účinky amplitúdy a intenzity sonikácie na čisté vodno-grafitové roztoky a výslednú exfoliáciu grafénu. V štúdii použili Hielscher UP200S (200 W, 24 kHz). Ultrazvuková exfoliácia pomocou vody bola aplikovaná ako jednokrokový proces pre niekoľkovrstvovú delamináciu grafénu. Krátke ošetrenie 2 hodiny stačilo na výrobu niekoľkovrstvového grafénu v otvorenom sonikácii kadičiek.
Vysokorýchlostná sekvencia (od a do f) snímok ilustrujúcich sono-mechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou UP200s, 24 kHz ultrazvuku s 3 mm sonotrodou. Šípky ukazujú miesto štiepenia (exfoliácie) s kavitačnými bublinami prenikajúcimi do štiepenia.
© Tyurnina a kol., 2020
Optimalizácia ultrazvukovej exfoliácie grafénu
(2020) je možné ľahko optimalizovať pre väčšiu účinnosť a rýchlejšiu exfoliáciu pomocou uzavretého ultrazvukového reaktora v prietokovom režime. Ultrazvuková inline úprava umožňuje výrazne rovnomernejšie ultrazvukové ošetrenie všetkých grafitových surovín: privádzanie roztoku grafitu / vody priamo do uzavretého priestoru ultrazvukovej kavitácie, všetok grafit sa rovnomerne sonikuje, čo vedie k vysokému výťažku vysokokvalitných grafénových vločiek.
Ultrazvukové systémy Hielscher umožňujú presnú kontrolu nad všetkými dôležitými parametrami spracovania, ako je amplitúda, čas / retencia, energetický vstup (Ws/ml), tlak a teplota. Nastavenie optimálnych ultrazvukových parametrov má za následok najvyššiu výťažnosť, kvalitu a celkovú účinnosť.
Ako ultrazvuk podporuje exfoliáciu grafénu
Keď sa vysokovýkonné ultrazvukové vlny spoja do suspenzie grafitového prášku a vody alebo akéhokoľvek rozpúšťadla, sonomechanické sily, ako je vysoký strih, intenzívne turbulencie a vysoké tlakové a teplotné rozdiely, vytvárajú energeticky náročné podmienky. Tieto energeticky náročné podmienky sú výsledkom fenoménu akustické kavitácie.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej kavitácii tu!
Výkonový ultrazvuk iniciuje expanziu grafitového prášku, pretože medzi vrstvami grafénu, z ktorých sa skladá grafit, sa vtláčajú tekutiny. Ultrazvukové šmykové sily delaminujú jednotlivé vrstvy grafénu a rozptyľujú ich ako grafénové vločky v roztoku. Na dosiahnutie dlhodobej stability grafénu vo vode je potrebná povrchovo aktívna látka.
Mechnizmus ultrazvukovej exfoliácie v kvapalnej fáze grafénovej exfoliácie.
Štúdia a obrázok od 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 užívateľskú prívetivosť. Prevádzkové nastavenia sú ľahko prístupné a vytočené pomocou intuitívneho menu, ku ktorému je možné pristupovať prostredníctvom digitálneho farebného dotykového displeja a diaľkového ovládača prehliadača. Preto sa všetky podmienky spracovania, ako je čistá energia, celková energia, amplitúda, čas, tlak a teplota, automaticky zaznamenávajú na vstavanú SD kartu. To vám umožní revidovať a porovnávať predchádzajúce sonikácie a optimalizovať proces exfoliácie grafénu na najvyššiu účinnosť.
Ultrazvukové systémy Hielscher sa používajú na celom svete na výrobu vysokokvalitných grafénových dosiek a oxidov grafénu. Priemyselné ultrazvuky Hielscher môžu ľahko prevádzkovať vysoké amplitúdy v nepretržitej prevádzke (24/7/365). Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite generovať pomocou štandardných sonotród (ultrazvukové sondy / klaksóny a kaskatródyTM). Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Vďaka svojej robustnosti a nízkej údržbe sa naše ultrazvukové exfoliačné systémy bežne inštalujú pre náročné aplikácie a v náročných prostrediach.
Ultrazvukové procesory Hielscher na exfoliáciu grafénu sú už inštalované po celom svete v komerčnom meradle. Kontaktujte nás teraz a prediskutujte svoj proces výroby grafénu! Náš skúsený personál sa rád podelí o ďalšie informácie o procese exfoliácie, ultrazvukových systémoch a cenách!
Ak sa chcete dozvedieť viac o ultrazvukovej syntéze, disperzii a funkcionalizácii grafénu, kliknite sem:
- Výroba grafénu
- Grafénové nanodoštičky
- Peeling grafénu na vodnej báze
- Vodou dispergovateľný grafén
- oxid grafénu
- xény
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, disperziu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, pilotnom 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.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Čo je grafén?
Grafén je monovrstva sp2-viazané atómy uhlíka. Grafén ponúka jedinečné materiálové vlastnosti, ako je mimoriadne veľká špecifická plocha (2620 m2g-1), vynikajúce mechanické vlastnosti s Youngovým modulom 1 TPa a vnútornou pevnosťou 130 GPa, extrémne vysokou elektronickou vodivosťou (pohyblivosť elektrónov pri izbovej teplote 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), veľmi vysoká tepelná vodivosť (nad 3000 W m K-1), aby sme vymenovali 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 štítov a elektronických zariadení. Okrem toho je grafén začlenený do mnohých nanokompozitov a kompozitných materiálov ako výstužná prísada, napr. v polyméroch, keramike a kovových matriciach. Vďaka svojej vysokej vodivosti je grafén dôležitou zložkou vodivých farieb a atramentov.
Rýchla a bezpečná ultrazvuková príprava grafénu bez chýb vo veľkých objemoch pri nízkych nákladoch umožňuje rozšíriť aplikácie 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 špecifický povrch a vynikajúce mechanické vlastnosti (Youngov modul 1 TPa a vnútorná pevnosť 130 GPa), ponúka skvelú elektronickú a tepelnú vodivosť, mobilitu nosičov náboja, priehľadnosť a je nepriepustný pre plyny. Vďaka týmto materiálovým vlastnostiam sa grafén používa ako výstužná prísada, ktorá dodáva kompozitom pevnosť, vodivosť atď. Aby sa spojili vlastnosti grafénu s inými materiálmi, grafén musí byť rozptýlený do zlúčeniny alebo sa musí nanášať ako tenkovrstvový povlak na substrát.
Vysoko výkonné ultrazvuky! Sortiment produktov spoločnosti Hielscher pokrýva celé spektrum od kompaktného laboratórneho ultrazvuku cez stolové jednotky až po plne priemyselné ultrazvukové systémy.