Piling grafena na vodni osnovi
Ultrazvočni piling omogoča proizvodnjo večplastnega grafena brez uporabe ostrih topil z uporabo samo čiste vode. Ultrazvočna obdelava z visoko močjo razsloji grafenske plošče v kratkem času. Izogibanje topil spremeni piling grafena v zelen, trajnosten proces.
Proizvodnja grafena s pilingom v tekoči fazi
Grafen se komercialno proizvaja s tako imenovanim pilingom v tekoči fazi. Piling grafena v tekoči fazi zahteva uporabo strupenih, okolju škodljivih in dragih topil, ki se uporabljajo kot kemična predobdelava ali v kombinaciji s tehniko mehanske disperzije. Za mehansko disperzijo grafenskih listov je bila ultrasonication uveljavljena kot zelo zanesljiva, učinkovita in varna tehnika za proizvodnjo visokokakovostnih grafenskih listov v velikih količinah na popolnoma industrijski ravni. Ker uporabo ostrih topil vedno spremljajo stroški, kontaminacija, zapletena odstranitev in odstranjevanje, varnostni pomisleki in obremenitev okolja, je nestrupena in varnejša alternativa bistveno ugodna. Piling grafena z uporabo vode kot topila in močnega ultrazvoka za mehansko razslojevanje nekaj plastnih grafenskih listov je zato zelo obetavna tehnika za proizvodnjo zelenega grafena.
Običajna topila, ki se pogosto uporabljajo kot tekoča faza za razprševanje grafenskih nanolistov, vključujejo dimetil sulfoksid (DMSO), N, N-dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilsečnino (TMU), tetrahidrofuran (THF), propilen karbonaceton (PC), etanol in formamid.
Kot že dolgo uveljavljena tehnika za piling grafena v komercialnem obsegu, ultrazvočna obdelava omogoča proizvodnjo visokokakovostnega grafena visoke čistosti po nizkih stroških. Ker je ultrazvočni piling grafena lahko popolnoma linearno prilagojen poljubnemu obsegu, se lahko proizvodni donos visokokakovostnih grafenskih kosmičev enostavno izvede za množično proizvodnjo grafena.
UIP2000hdT je 2kW močan ultrazvočni razpršilnik za luščenje in disperzijo grafena.
Ultrazvočni piling grafena v vodi
(2020) so raziskali učinke amplitude in intenzivnosti ultrazvočne razbijanje na čiste vodno-grafitne raztopine in posledično piling grafena. V študiji so uporabili Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultrazvočni piling z vodo je bil uporabljen kot postopek v enem koraku za razslojevanje grafena v več plasteh. Kratka obdelava 2 ur je zadostovala za proizvodnjo večplastnega grafena v odprti ultrazvočni postavitvi.
Hitro zaporedje (od a do f) okvirjev, ki ponazarjajo sono-mehansko luščenje grafitnih kosmičev v vodi z uporabo UP200s, 24 kHz ultrazvočnega aparata s 3-milimetrsko sonotrodo. Puščice kažejo mesto cepitve (pilinga) s kavitacijskimi mehurčki, ki prodirajo v razcep.
© Tyurnina et al., 2020
Optimizacija ultrazvočnega pilinga grafena
(2020) je mogoče enostavno optimizirati za večjo učinkovitost in hitrejše piling z uporabo zaprtega ultrazvočnega reaktorja v pretočnem načinu. Ultrazvočna inline obdelava omogoča bistveno bolj enakomerno ultrazvočno obdelavo vseh grafitnih surovin: napajanje grafitne / vodne raztopine neposredno v zaprti prostor ultrazvočne kavitacije, ves grafit postane enakomerno ultrazvočno, kar povzroči visok donos visokokakovostnih grafenskih kosmičev.
Hielscher ultrazvočni sistemi omogočajo natančen nadzor nad vsemi pomembnimi parametri obdelave, kot so amplituda, čas / zadrževanje, vnos energije (Ws / ml), tlak in temperatura. Nastavitev optimalnih ultrazvočnih parametrov ima za posledico najvišji donos, kakovost in splošno učinkovitost.
Kako ultrasonication spodbuja piling grafena
Ko se ultrazvočni valovi visoke moči povežejo v gnojevko grafitnega prahu in vode ali katerega koli topila, sonomehanske sile, kot so visoko striženje, intenzivne turbulence in visoke tlačne in temperaturne razlike, ustvarijo energetsko intenzivne pogoje. Ti energetsko intenzivni pogoji so posledica pojava akustične kavitacije.
Preberite več o ultrazvočni kavitaciji tukaj!
Ultrazvok moči sproži širjenje grafitnega prahu, saj se tekočine stisnejo med plastmi grafena, iz katerih je sestavljen grafit. Ultrazvočne strižne sile razslojijo posamezne liste grafena in jih razpršijo kot grafenske kosmiče v raztopini. Za dolgoročno stabilnost grafena v vodi je potrebna površinsko aktivna snov.
Mechnizem ultrazvočnega pilinga v tekoči fazi pilinga grafena.
Študija in slika Tyurnina et al., 2021.
Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati za piling grafena
Pametne funkcije Hielscher ultrazvočnih aparatov so zasnovane tako, da zagotavljajo zanesljivo delovanje, ponovljive rezultate in prijaznost do uporabnika. Do nastavitev delovanja lahko enostavno dostopate in jih izberete prek intuitivnega menija, do katerega lahko dostopate prek digitalnega barvnega zaslona na dotik in daljinskega upravljalnika brskalnika. Zato se vsi pogoji obdelave, kot so neto energija, skupna energija, amplituda, čas, tlak in temperatura, samodejno zabeležijo na vgrajeno kartico SD. To vam omogoča, da pregledate in primerjate prejšnje ultrazvočne vožnje in optimizirate postopek pilinga grafena do najvišje učinkovitosti.
Hielscher Ultrasonics sistemi se po vsem svetu uporabljajo za izdelavo visokokakovostnih grafenskih plošč in grafenskih oksidov. Hielscher industrijski ultrazvočni aparati lahko zlahka izvajajo visoke amplitude v neprekinjenem delovanju (24/7/365). Amplitude do 200 μm se lahko enostavno kontinuirano generirajo s standardnimi sonotrodami (ultrazvočne sonde / rogovi in kaskatrodeTM). Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Zaradi svoje robustnosti in nizkega vzdrževanja so naši ultrazvočni sistemi za piling običajno nameščeni za težke aplikacije in v zahtevnih okoljih.
Hielscher ultrazvočni procesorji za piling grafena so že nameščeni po vsem svetu v komercialnem obsegu. Kontaktirajte nas zdaj, da se pogovorite o vašem proizvodnem procesu grafena! Naše izkušeno osebje bo z veseljem delilo več informacij o postopku pilinga, ultrazvočnih sistemih in cenah!
Če želite izvedeti več o ultrazvočni sintezi, disperziji in funkcionalizaciji grafena, kliknite tukaj:
- Proizvodnja grafena
- Grafenske nanoploščice
- Piling grafena na vodni osnovi
- Grafen, ki se dispergira v vodi
- Grafen oksid
- Xenes
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 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 | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
Literatura / Reference
- 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.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Kaj je 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.
Hitra in varna ultrazvočna priprava grafena brez napak v velikih količinah po nizkih stroških omogoča razširitev uporabe grafena na vse več industrij.
Grafen je plast ogljika debeline enega atoma, ki jo lahko opišemo kot enoslojno ali 2D strukturo grafena (enoslojni grafen = SLG). Grafen ima izjemno veliko specifično površino in vrhunske mehanske lastnosti (Youngov modul 1 TPa in notranja trdnost 130 GPa), ponuja odlično elektronsko in toplotno prevodnost, mobilnost nosilca naboja, preglednost in je neprepusten za pline. Zaradi teh lastnosti materiala se grafen uporablja kot ojačitveni dodatek, ki daje kompozitom trdnost, prevodnost itd. Da bi združili lastnosti grafena z drugimi materiali, je treba grafen razpršiti v spojino ali pa se nanese kot tankoplastni premaz na podlago.
Visoko zmogljiva ultrazvoka! Hielscherjeva paleta izdelkov zajema celoten spekter od kompaktnega laboratorijskega ultrazvočnega aparata preko namiznih enot do popolnoma industrijskih ultrazvočnih sistemov.