Ultrazvočni piling grafena, ki se dispergira v vodi
- Eno- in dvoslojni grafenski nanolisti se lahko hitro proizvajajo z ultrazvočnim pilingom z visoko prepustnostjo in nizkimi stroški.
- Ultrazvočno luščen grafen lahko funkcionaliziramo z biopolimeri, da dobimo grafen, ki se dispergira v vodi.
- Z ultrazvočno kavitacijo se lahko sintetizirani grafen nadalje predela v stabilno disperzijo na vodni osnovi.
Ultrazvočni piling visokokakovostnega grafena
Ultrasonication je zanesljiva metoda za proizvodnjo grafenskih plasti (eno-, dvo- in večplastni grafen) iz grafitnih kosmičev ali delcev. Medtem ko so druge običajne tehnike pilinga, kot so kroglični in valjčni mlini ali mešalniki z visokim strižjem, povezane z nizko kakovostjo in uporabo agresivnih reagentov in topil, metoda ultrazvočnega pilinga prepriča s svojo visoko kakovostjo, visoko procesno zmogljivostjo in blagimi pogoji obdelave.
Ultrazvočna kavitacija ustvarja intenzivne strižne sile, ki ločujejo zložene grafitne plasti v mono-, dvo- in nekaj plasti grafena brez napak.
Grafenske plošče, ki se dispergirajo v vodi s ultrazvočnim razbijanjem
Ultrasonication je učinkovit postopek s ponovljivimi rezultati za razpletanje ogljikovih nanocevk v vodi ali organskih topilih. [/napis] V normalnih pogojih se grafen težko razprši v vodi in tvori agregate in aglomerate, ko se razprši v vodnem mediju. Ker imajo vodni sistemi pomembne prednosti, saj so poceni, nestrupeni, okolju prijazni, so grafenski sistemi na vodni osnovi zelo privlačni za proizvajalce grafena in industrijo v nadaljnjem delu proizvodne verige.
Da bi dobili grafenske nanoplošče, ki se dispergirajo v vodi, se ultrazvočno luščeni grafen modificira s polisaharidi / biopolimeri, kot so pullulan, hitozan, alginat, želatina ali arabski gumi.
- visokokakovostni grafen
- visok donos
- disperzija na vodni osnovi
- visoka koncentracija
- visoka učinkovitost
- Hiter postopek
- nizki stroški
- Visoka zmogljivost
- okolju prijazen
Ultrazvočni reaktor s sondnimi ultrazvočnimi aparati za industrijsko piling grafena
Protokol neposrednega pilinga grafita z uporabo ultrazvoka
Neionski pullulan in anionski alginat (1,0 g) sta bila ločeno raztopljena v 20 ml destilirane vode, medtem ko je bil kationski hitozan (0,4 g) raztopljen v 20 ml destilirane vode z 1 mas. % ocetne kisline. Grafitni prah je bil razpršen v vodnih raztopinah biopolimerov in obdelan z ultrazvočnim zvočnim aparatom tipa sonde UP200S (največja moč 200 W, frekvenca 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Nemčija), opremljenim s titanovo sonotrodo (mikro konica S3, premer konice 3 mm, največja amplituda 210 μm, gostota akustične moči ali površinska intenzivnost 460 W cm-2) pod naslednjimi pogoji: 0,5 cikla in 50% amplituda, za obdobje 10, 20, 30 in 60 minut. Najboljši rezultati so bili doseženi pri 30-minutni ultrazvočni obdelavi. Sonication je bila uporabljena pri moči 16,25 W za 30 minut, pri porabi energije (izhodna energija na enoto prostornine) pa je bila 731 Ws ml-1.
Nato so mešanice 60 minut centrifugirali pri 1500 vrtljajih na minuto, da so odstranili neluščene delce grafita, nato pa 5-krat sprali in ponovno centrifugirali pri 5000 vrtljajih na minuto 20 minut, da so odstranili odvečne biopolimere. Nastale temno sive raztopine so bile vakuumsko posušene pri 40 ° C, dokler ni prišlo do izgube mase. Nastali polimer-grafenski praški so bili ponovno razpršeni v vodi (1 mg ml-1 za pullulan in hitozan; 0,18 mg ml-1 za alginat) za karakterizacijo. Grafenske plošče, pridobljene z ultrazvočnim razglaševanjem s pullulanom, alginatom in hitozanom, so bile označene kot pull-G, alg-G in chit-G.
Od treh sistemov sta bila pululan in hitozan učinkovitejša pri luščenju grafita kot alginat. Ta metoda je prinesla luščene eno-, dvo- in večplastne grafenske plošče z le nizkimi stranskimi (robovi) napakami. Adsorpcija biopolimerov na površini grafena zagotavlja dolgotrajno stabilnost (več kot 6 mesecev) vodne disperzije.
(prim. Unalan et al. 2015)
Hitro zaporedje (od a do f) okvirjev, ki ponazarjajo sono-mehansko luščenje grafitnih kosmičev v vodi z uporabo UP200S, 200W ultrazvočnega aparata s 3-milimetrsko sonotrodo. Puščice kažejo mesto cepitve (pilinga) s kavitacijskimi mehurčki, ki prodirajo v razcep.
(študija in slike: © Tyurnina et al. 2020
TEM posnetki pull-G za: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G za 30 minut; (f) alg-G za 30 min. (Unalan et al. 2015)
Ultrazvočni aparati za piling grafena
Hielscher ultrazvočni procesorji visoke moči se uporabljajo po vsem svetu za uspešno piling in disperzijo grafita in grafena. Naši ultrazvočni razpršilniki so na voljo od laboratorija in klopi do polnih industrijskih proizvodnih enot. Poleg robustnosti, delovanja 24/7 in nizkega vzdrževanja Hielscher ultrazvočni aparati prepričajo z visoko enostavnostjo obdelave in linearno razširljivostjo.
Procese je mogoče enostavno testirati in optimizirati v laboratoriju. Nato se lahko vsi rezultati procesa popolnoma linearno prilagodijo komercialni proizvodni ravni. Zaradi tega je ultrazvočno razbijanje učinkovita in učinkovita proizvodna metoda za velike količine visokokakovostnih grafenskih listov.
Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Ujemajoči se ultrazvočni reaktorji zagotavljajo zanesljivo in varno množično proizvodnjo visoko kakovostnih grafenskih nanolistov in stabilnih disperzij nanolistov.
Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Mehanizem ultrazvočnega pilinga 2D nanolistov.
(študija in grafika: Tyurnina et al., 2020)
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
grafen
Grafen je enoplast sp2-vezani ogljikovi atomi. Grafen ponuja edinstvene lastnosti materiala, kot je izjemno velika specifična površina (2620 m2g-1), vrhunske mehanske lastnosti z Youngovim modulom 1 TPa in notranjo trdnostjo 130 GPa, izjemno visoko elektronsko prevodnostjo (gibljivost elektronov pri sobni temperaturi 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), zelo visoka toplotna prevodnost (nad 3000 W m K-1), da naštejemo najpomembnejše lastnosti. Zaradi svojih vrhunskih lastnosti materiala se grafen močno uporablja pri razvoju in proizvodnji visoko zmogljivih baterij, gorivnih celic, sončnih celic, superkondenzatorjev, skladišč vodika, elektromagnetnih ščitnikov in elektronskih naprav. Poleg tega je grafen vgrajen v številne nanokompozite in kompozitne materiale kot ojačitveni dodatek, npr. v polimerih, keramiki in kovinskih matricah. Zaradi visoke prevodnosti je grafen pomembna sestavina prevodnih barv in črnil.
Hitro in varno Ultrazvočna priprava grafena brez napak pri velikih količinah z nizkimi stroški omogoča razširitev uporabe grafena na vse več industrij.
Literatura/Reference
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- 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.
- 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.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.