Eksfoliacija grafena v vodi
Ultrazvočna eksfoliacija omogoča proizvodnjo grafena z malo plastmi brez uporabe agresivnih topil, zgolj s čisto vodo. Sonikacija z visoko močjo razsloji grafenske plasti v kratkem času obdelave. Z opustitvijo topil postane eksfoliacija grafena okolju prijazen in trajnosten proces.
Proizvodnja grafena z eksfoliacijo v tekoči fazi
Grafen se komercialno proizvaja s tako imenovano eksfoliacijo v tekoči fazi. Eksfoliacija grafena v tekoči fazi zahteva uporabo strupenih, okolju škodljivih in dragih topil, ki se uporabljajo za kemično predobdelavo ali v kombinaciji s tehniko mehanskega dispergiranja. Pri mehanskem dispergiranju grafenskih plasti se je ultrazvočna obdelava uveljavila kot zelo zanesljiva, učinkovita in varna tehnika za proizvodnjo visokokakovostnih grafenskih plasti v velikih količinah na povsem industrijski ravni. Ker uporabo agresivnih topil vedno spremljajo stroški, kontaminacija, zahtevno odstranjevanje in odlaganje, varnostni pomisleki ter obremenitev okolja, ima nestrupena in varnejša alternativa znatne prednosti. Eksfoliacija grafena z uporabo vode kot topila in ultrazvoka visoke moči za mehansko razslojevanje grafenskih plasti z malo plastmi je zato zelo obetavna tehnika za okolju prijazno proizvodnjo grafena.
Med običajna topila, ki se pogosto uporabljajo kot tekoča faza za dispergiranje grafenskih nanoplasti, spadajo dimetil sulfoksid (DMSO), N,N-dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilsečnina (TMU), tetrahidrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), etanol in formamid.
Ultrazvočna obdelava kot že dolgo uveljavljena tehnika za eksfoliacijo grafena v komercialnem obsegu omogoča proizvodnjo visokokakovostnega grafena visoke čistosti ob nizkih stroških. Ker je mogoče ultrazvočno eksfoliacijo grafena povsem linearno povečati na poljubno prostornino, je mogoče proizvodnjo visokokakovostnih grafenskih kosmičev zlahka prenesti v množično proizvodnjo grafena.
UIP2000hdT je zmogljiv ultrazvočni dispergator z močjo 2kW za eksfoliacijo in dispergiranje grafena.
Ultrazvočna eksfoliacija grafena v vodi
Tyurnina et al. (2020) so raziskovali vpliv amplitude in intenzivnosti sonikacije na raztopine čiste vode in grafita ter na posledično eksfoliacijo grafena. V raziskavi so uporabili Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultrazvočna eksfoliacija z uporabo vode je bila izvedena kot enostopenjski proces za razslojevanje grafena z malo plastmi. Kratka obdelava, ki je trajala 2h, je zadostovala za proizvodnjo grafena z malo plastmi v postavitvi za sonikacijo z odprto čašo.
Zaporedje posnetkov, zajetih z visoko hitrostjo (od a do f), ki prikazuje sonomehansko eksfoliacijo grafitnega kosmiča v vodi z uporabo UP200s, ultrazvočne naprave s frekvenco 24 kHz in 3-mm sonotrodo. Puščice označujejo mesto razcepa (eksfoliacije), v katerega prodirajo kavitacijski mehurčki.
© Tyurnina et al., 2020
Optimizacija ultrazvočne eksfoliacije grafena
Ultrazvočno postavitev, ki so jo uporabili Tyurnina et al. (2020), je mogoče zlahka optimizirati za večjo učinkovitost in hitrejšo eksfoliacijo z uporabo zaprtega ultrazvočnega reaktorja v pretočnem načinu. Ultrazvočna obdelava v procesnem toku omogoča bistveno bolj enakomerno ultrazvočno obdelavo vse grafitne surovine: z dovajanjem raztopine grafita in vode neposredno v omejeni prostor ultrazvočne kavitacije se ves grafit enakomerno sonificira, kar zagotavlja visok izkoristek visokokakovostnih grafenskih kosmičev.
Sistemi Hielscher Ultrasonics omogočajo natančen nadzor vseh pomembnih procesnih parametrov, kot so amplituda, čas / zadrževalni čas, vnos energije (Ws/mL), tlak in temperatura. Nastavitev optimalnih ultrazvočnih parametrov zagotavlja najvišji izkoristek, kakovost in skupno učinkovitost.
Kako ultrazvočna obdelava spodbuja eksfoliacijo grafena
Ko se ultrazvočni valovi visoke moči sklopijo s suspenzijo grafitnega prahu v vodi ali poljubnem topilu, sonomehanske sile, kot so močan strig, intenzivna turbulenca ter velike razlike v tlaku in temperaturi, ustvarijo energijsko intenzivne razmere. Te energijsko intenzivne razmere so posledica pojava akustične kavitacije.
Več o ultrazvočni kavitaciji preberite tukaj!
Ultrazvok visoke moči sproži razširjanje grafitnega prahu, saj se tekočine potiskajo med grafenske plasti, iz katerih je sestavljen grafit. Ultrazvočne strižne sile razslojijo posamezne grafenske plasti in jih dispergirajo kot grafenske kosmiče v raztopini. Za dolgoročno stabilnost grafena v vodi je potrebna površinsko aktivna snov.
Mehanizem ultrazvočne eksfoliacije grafena v tekoči fazi.
Raziskava in slika: Tyurnina et al., 2021.
Visokozmogljive ultrazvočne naprave za eksfoliacijo grafena
Pametne funkcije ultrazvočnih naprav Hielscher so zasnovane tako, da zagotavljajo zanesljivo delovanje, ponovljive rezultate in prijaznost do uporabnika. Do nastavitev delovanja lahko preprosto dostopate in jih izberete prek intuitivnega menija, ki je dostopen prek digitalnega barvnega zaslona na dotik in daljinskega upravljanja v brskalniku. Zato se vsi pogoji obdelave, kot so neto energija, skupna energija, amplituda, čas, tlak in temperatura, samodejno beležijo na vgrajeno kartico SD. To vam omogoča pregled in primerjavo prejšnjih postopkov sonikacije ter optimizacijo procesa eksfoliacije grafena za najvišjo učinkovitost.
Sistemi Hielscher Ultrasonics se po vsem svetu uporabljajo za proizvodnjo visokokakovostnih grafenskih plasti in grafenskih oksidov. Industrijske ultrazvočne naprave Hielscher lahko brez težav delujejo z visokimi amplitudami pri neprekinjenem obratovanju (24/7/365). Amplitude do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno ustvarjati s standardnimi sonotrodami (ultrazvočnimi sondami / rogovi in CascatrodesTM). Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Zaradi robustnosti in majhnih potreb po vzdrževanju se naši sistemi za ultrazvočno eksfoliacijo pogosto vgrajujejo za zahtevne aplikacije in v zahtevnih okoljih.
Ultrazvočni procesorji Hielscher za eksfoliacijo grafena so že nameščeni po vsem svetu v komercialnem obsegu. Stopite v stik z nami zdaj, da se pogovorimo o vašem procesu proizvodnje grafena! Naše zelo izkušeno osebje vam bo z veseljem posredovalo več informacij o procesu eksfoliacije, ultrazvočnih sistemih in cenah!
Če želite izvedeti več o ultrazvočni sintezi, dispergiranju in funkcionalizaciji grafena, kliknite tukaj:
- Proizvodnja grafena
- Grafenske nanoploščice
- Eksfoliacija grafena v vodi
- Grafen, disperzibilen v vodi
- Grafenski oksid
- Kseni
| Prostornina šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvaja visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem obsegu.
Literatura / Viri
- 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 poznati
Kaj je grafen?
Grafen je enojna plast ogljikovih atomov, povezanih z vezmi sp2. Grafen ima edinstvene lastnosti materiala, kot so izjemno velika specifična površina (2620 m2 g-1), izjemne mehanske lastnosti z Youngovim modulom 1 TPa in intrinzično trdnostjo 130 GPa, izjemno visoka elektronska prevodnost (gibljivost elektronov pri sobni temperaturi 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), zelo visoka toplotna prevodnost (nad 3000 W m K-1), če naštejemo najpomembnejše lastnosti. Zaradi izjemnih lastnosti materiala se grafen obsežno uporablja pri razvoju in proizvodnji visokozmogljivih baterij, gorivnih celic, sončnih celic, superkondenzatorjev, sistemov za shranjevanje vodika, elektromagnetnih ščitov in elektronskih naprav. Poleg tega se grafen vgrajuje v številne nanokompozite in kompozitne materiale kot ojačitveni dodatek, npr. v polimere, keramiko in kovinske matrice. Zaradi visoke prevodnosti je grafen pomembna sestavina prevodnih barv in črnil.
Hitra in varna ultrazvočna priprava grafena brez napak v velikih količinah ob nizkih stroških omogoča širjenje uporabe grafena v vse več panog.
Grafen je plast ogljika, debela en atom, ki jo lahko opišemo kot enoplastno ali 2D strukturo grafena (enoplastni grafen = SLG). Grafen ima izjemno veliko specifično površino in izjemne mehanske lastnosti (Youngov modul 1 TPa in intrinzično trdnost 130 GPa), odlično elektronsko in toplotno prevodnost, gibljivost nosilcev naboja ter prosojnost in je neprepusten za pline. Zaradi teh lastnosti materiala se grafen uporablja kot ojačitveni dodatek, ki kompozitom daje svojo trdnost, prevodnost itd. Da bi lastnosti grafena združili z lastnostmi drugih materialov, je treba grafen dispergirati v zmes ali ga nanesti na podlago kot tankoplastno prevleko.
Visokozmogljiva ultrazvočna tehnologija! Ponudba izdelkov Hielscher zajema celoten razpon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav prek namiznih enot do povsem industrijskih ultrazvočnih sistemov.