Grafen me një shtresë në shkallë industriale duke përdorur eksfolim tejzanor
Grafeni është bërë një nga materialet më interesante të shkencës moderne. – dhe për një arsye të mirë. Nuk është vetëm “një material tjetër karboni.” Grafeni është një shtresë e vetme atomike karboni e rregulluar në një rrjetë të përsosur në formë hualli mjalti, dhe kjo strukturë në dukje e thjeshtë prodhon një kombinim të habitshëm vetish që pak materiale mund t’i arrijnë.
Sfida është gjithmonë: Si e prodhojmë grafen me një shtresë të vetme me cilësi të lartë në mënyrë efikase, të vazhdueshme dhe në sasi industriale?
Këtu kryhet eksfolimi me ultratinguj me performancë të lartë – veçanërisht me sonifikuesit e tipit Hielscher me sondë – ofron një përgjigje praktike dhe të shkallëzueshme.
Problemi: Prodhimi i grafenit me një shtresë në shkallë të gjerë
Grafeni ekziston natyrshëm brenda grafitit, ku miliona shtresa grafeni janë të vendosura fort së bashku. Këto shtresa mbahen nga forca të forta ndërmjet shtresave (ndërveprimet van der Waals), duke i bërë ato të vështira për t'u ndarë pastër.
Qëllimi është i qartë:
- Rendiment i lartë i grafenit me një shtresë
- Dëmtim minimal i rrjetës së grafenit
- Madhësia dhe morfologjia uniforme e fletës
- I shkallëzueshëm në vëllime industriale
- Kosto-efektive dhe e qëndrueshme ndaj mjedisit
Metodat tradicionale e kanë të vështirë t’i përmbushin të gjitha këto kërkesa njëkohësisht.
Eksfolimi me ultratinguj i grafenit
Pse metodat konvencionale të eksfolimit nuk funksionojnë
Metodat konvencionale të eksfolimit përfshijnë eksfolimin mekanik, kimik dhe në fazë të lëngshme. Të gjitha këto metoda kanë kufizime që e bëjnë prodhimin e grafenit joefikas dhe/ose të rrezikshëm.
Eksfolim mekanik
Teknika mekanike më e spikatur është e famshmja “Shirit ngjitës” metodë. Mund të prodhojë grafen të pastër, por:
- rendimentet janë jashtëzakonisht të ulëta
- fletët janë të parregullta
- plotësisht jopraktike për prodhim
Eksfolim Kimik
Kjo metodë përdor acide dhe oksidues të fortë për të thyer lidhjet e shtresave, por:
- sjell papastërti dhe defekte
- gjeneron mbetje kimike
- rrit koston për shkak të tretësve, kimikateve dhe asgjësimit
- ndryshon kiminë e grafenit (shpesh përgjithmonë)
Eksfolim Konvencional në Fazë të Lëngshme
Kjo qasje është më e shkallëzueshme, por shpesh kërkon:
- tretës të veçantë si N-Metil-2-pirolidon (NMP) ose Dimetilformamid (DMF)
- kohë të gjata përpunimi
- rendiment dhe efikasitet i kufizuar i procesit pa hyrje të lartë energjie
Imazhe TEM me rezolucion të lartë të nanofletëve të grafenit
me anë të metodës tejzanor të Hummer-it.
(Studim dhe grafik: Ghanem dhe Rehim, 2018)
Prodhimi ultrasonik i grafenit: Rruga industriale përpara
Sinteza ultrasonike e grafenit bëhet shumë efektive kur përdoret sonikimi me sondë me fuqi të lartë, i cili jep energji direkt në pezullim. – shumë më efikase sesa sonikimi në banjë.
Në praktikë, ultratingulli mbështet prodhimin e grafenit përmes dy rrugëve kryesore:
Metoda 1: Hummer-a me ndihmë ultrasonike’ Metoda (Oksid Grafeni)
Hummer-at’ Metoda është një rrugë kimike në të cilën grafiti oksidohet duke përdorur një përzierje acidesh të forta dhe agjentësh oksidues - zakonisht acid sulfurik, acid nitrik dhe permanganat kaliumi. Gjatë këtij reaksioni, grupet funksionale që përmbajnë oksigjen, të tilla si grupet hidroksil, epoksid dhe karboksil, futen në rrjetën e karbonit. Rezultati është oksidi i grafenit (GO), një derivat i modifikuar kimikisht i grafenit.
Kur aplikohet ultratinguj gjatë këtij procesi, ai rrit ndjeshëm efikasitetin e reagimit. Ngacmimi tejzanor përmirëson transferimin e masës midis reagentëve dhe grimcave të grafitit, duke siguruar oksidim më uniform. Në të njëjtën kohë, forcat prerëse të shkaktuara nga kavitacioni nxisin ndarjen e shtresave të grafitit të oksiduar në fletë individuale, duke përshpejtuar eksfolimin dhe duke përmirësuar cilësinë e shpërndarjes.
Çfarë bën ultratingulli këtu:
- përmirëson transferimin e masës
- përshpejton shpërndarjen
- ndihmon në ndarjen e shtresave të oksiduara në fletë të vetme
Produkti i kësaj metode është oksidi i grafenit në formën e fletëve me një ose disa shtresa që shpërndahen lehtësisht në ujë për shkak të kimisë së tyre hidrofile të sipërfaqes. Për shkak të grupeve funksionale të futura, oksidi i grafenit është shumë reaktiv dhe i përshtatshëm për funksionalizimin pasues kimik, integrimin e kompozitëve ose reduktimin në struktura të modifikuara të grafenit.
Çfarë prodhon metoda e Hummer-it e asistuar me ultratinguj:
- fletë oksidi grafeni
- dispersionet hidrofile në ujë
- një formë grafeni e modifikuar kimikisht e përshtatshme për funksionalizim
Kjo qasje është veçanërisht e përshtatshme kur objektivi nuk është grafeni i pastër, por më tepër një material sipërfaqësor aktiv, kimikisht i akordueshëm, i projektuar për modifikime të mëtejshme ose aplikime specifike ndërfaqësore.
Paraqitje grafike e sintezës së grafenit të përgatitur nga metoda Hummer dhe teknika e shpërndarjes duke përdorur dodecilbenzensulfonat natriumi (SDS): (A) struktura e grafitit; (B) nanoplateletë të shpërndara të grafenit duke përdorur sonikatorin UP100H; (C) oksid grafeni i reduktuar; dhe (D) oksid grafeni.
(Studim dhe grafik: Ghanem dhe Rehim, 2018)
Metoda 2: Eksfolim ultrasonik në fazë të lëngshme (Grafen i pastër)
Në eksfolimin tejzanor në fazë të lëngshme, grafiti në masë shpërndahet në një tretës të përshtatshëm - zakonisht N-metil-2-pirolidon (NMP) ose dimetilformamid (DMF) - dhe i nënshtrohet ultratingujve me fuqi të lartë. Ndryshe nga metodat oksiduese, ky proces është në thelb fizik dhe jo kimik.
Energjia tejzanore e aplikuar gjeneron forca intensive kavitacioni brenda lëngut. Këto forca kapërcejnë bashkëveprimet van der Waals që mbajnë shtresat e grafenit së bashku, duke e shkëputur fizikisht grafitin në fletë individuale të grafenit. Ndërsa eksfolimi përparon, formohen dispersione të qëndrueshme të nanofletëve të grafenit brenda mjedisit tretës.
Çfarë bën ultratingulli këtu:
- delaminon fizikisht grafitin
- ndan shtresat individuale të grafenit
- formon dispersione të qëndrueshme të grafenit
Kjo metodë preferohet kur qëllimi kryesor është ruajtja e integritetit të rrjetës origjinale të karbonit sp². Meqenëse nuk përfshihen agjentë oksidues agresivë, struktura kristalore dhe vetitë e brendshme elektrike dhe mekanike të grafenit mund të ruhen në një masë shumë më të madhe. Përveç kësaj, eksfolimi tejzanor në fazën e lëngshme është i përshtatshëm për prodhim të shkallëzuar, duke lejuar një kalim të besueshëm nga kërkimet laboratorike në prodhimin industrial, duke ruajtur njëkohësisht konsistencën e produktit.
Kjo qasje është opsioni i preferuar kur qëllimi juaj është:
- Ruajtja e rrjetës origjinale sp²
- Prodhimi i nanofletëve të grafenit me cilësi të lartë
- Rritja e besueshme e prodhimit
Në përmbledhje, ndërsa Hummer-at’ Metoda i jep përparësi modifikimit kimik, eksfolimi tejzanor në fazën e lëngshme përqendrohet në ruajtjen strukturore dhe prodhimin e nanofletëzave të grafenit me cilësi të lartë.
Një sekuencë me shpejtësi të lartë (nga a në f) kornizash që ilustrojnë shtresimin sono-mekanik të një flake grafiti në ujë duke përdorur UP200S, një ultrasonikator 200 W me sonotrode 3 mm. Shigjetat tregojnë vendin e ndarjes (eksfolimit) me flluska të kavitacionit që depërtojnë në çarje.
(studim dhe foto: © Tyurnina et al. 2020
Zgjedhja e Rrugës së Duhur: Ruajtja apo Modifikimi?
Një pyetje e thjeshtë përcakton metodën më të mirë:
A dëshironi grafen të pastër? – apo oksid grafeni i funksionalizuar?
Eksfolimi në fazën e lëngshme përqendrohet në ruajtjen e rrjetës dhe kapërcimin e butë të forcave ndërshtresore.
Hummers’ Metoda ndryshon qëllimisht kiminë, duke futur grupe oksigjeni dhe defekte, dhe ultratingulli përmirëson kryesisht shpërndarjen në vend që të mbrojë strukturën.
Ky ndryshim ndikon fuqishëm në performancën dhe potencialin e aplikimit të grafenit përfundimtar.
Sonicator industrial UIP16000hdT për eksfolim dhe nano-shpërndarje me rendiment të lartë
Pse eksfolimi tejzanor shkëlqen për grafenin industrial
Krahasuar me qasjet konvencionale të eksfolimit, eksfolimi tejzanor në fazë të lëngshme ofron një kombinim të rrallë të efikasitetit, cilësisë së produktit dhe shkallëzueshmërisë industriale.
Një nga avantazhet e tij më të rëndësishme është rendimenti i lartë i eksfolimit. Nën kushte të optimizuara përpunimi, kavitacioni tejzanor mund të ndajë fletët e grafenit nga grafiti me një efikasitet jashtëzakonisht të lartë, shpesh duke arritur kryesisht material me një shtresë të vetme. Kjo përfaqëson një përmirësim të konsiderueshëm krahasuar me eksfolimin mekanik, i cili prodhon vetëm sasi minimale të grafenit të përdorshëm.
Uniformiteti është një faktor tjetër vendimtar. Meqenëse procesi i kavitacionit mund të kontrollohet me kujdes, fletët e grafenit që rezultojnë kanë tendencë të shfaqin trashësi dhe morfologji të qëndrueshme. Kjo riprodhueshmëri është thelbësore për aplikimet industriale ku konsistenca e materialit ndikon drejtpërdrejt në performancën e produktit.
Shkallueshmëria dallon më tej përpunimin tejzanor. Ajo që funksionon në një gotë laboratorike mund të transferohet në shkallë pilot dhe në fund të fundit në prodhim industrial në linjë. Reaktorët me rrjedhje të vazhdueshme tejzanore lejojnë që vëllime të mëdha të shpërndarjes së grafitit të përpunohen në kushte të kontrolluara dhe të përsëritshme, duke e bërë teknologjinë komercialisht të qëndrueshme.
Kontrolli i procesit shton një shtresë tjetër fleksibiliteti. Parametrat si amplituda, hyrja e fuqisë tejzanore, presioni, temperatura dhe koha e qëndrimit mund të rregullohen me saktësi. Kjo u mundëson prodhuesve të përshtasin karakteristikat e grafenit sipas kërkesave specifike të aplikimit, duke ruajtur riprodhueshmërinë.
Së fundmi, eksfolimi tejzanor në fazë të lëngshme mund të zbatohet duke përdorur sisteme tretësish më të qëndrueshme. Në varësi të formulimit dhe aplikimit të synuar, mund të përdoren sisteme me bazë etanoli, lëngje jonike ose edhe media ujore, duke ofruar avantazhe mjedisore dhe rregullatore krahasuar me rrugët kimike fort oksiduese.
Pse Sonicatorët e Sondave Hielscher janë Idealë për Eksfolimin e Grafenit
Hielscher Ultrasonics ofron një platformë të plotë teknologjike të përshtatshme posaçërisht për përpunimin e grafenit.
Përparësitë kryesore përfshijnë:
- ultratinguj të tipit sondë (shumë më efikas se sonikimi në banjë)
- i shkallëzueshëm nga sistemet e dorës dhe ato të tavolinës deri te reaktorët industrialë 24/7
- kontroll i saktë mbi amplitudën, fuqinë dhe presionin
- ndërtim i fortë, i gradës industriale për funksionim të vazhdueshëm
Përpunimi në seri kundrejt përpunimit në linjë: Nga laboratori në fabrikë
Sistemet Hielscher mbështesin përpunimin në seri dhe atë në linjë, duke lejuar një kalim të qetë nga kërkimi në prodhim.
Sonikimi në seri është i thjeshtë për t’u zbatuar dhe veçanërisht i përshtatshëm për kërkime laboratorike, zhvillim formulimesh dhe prodhim grafeni në shkallë të vogël. Ofron fleksibilitet dhe optimizim të shpejtë të parametrave, duke e bërë ideal gjatë zhvillimit të procesit në fazën e hershme.
Megjithatë, për prodhimin në shkallë industriale, zakonisht preferohet përpunimi në linjë. Në këtë konfigurim, dispersioni i grafitit pompohet vazhdimisht përmes një reaktori me qeliza rrjedhëse tejzanor. Kjo siguron ekspozim uniform ndaj forcave të kavitacionit, duke rezultuar në cilësi të qëndrueshme të eksfolimit dhe rendiment të lartë. Kur kombinohet me reaktorë të presueshëm, intensiteti i kavitacionit mund të rritet më tej, duke rritur efikasitetin dhe produktivitetin e eksfolimit.
Dizajni modular i sistemeve Hielscher u mundëson kompanive të fillojnë me eksperimentime në shkallë laboratori dhe të zgjerohen në prodhim industrial plotësisht të vazhdueshëm, 24/7 pa ndryshuar platformën themelore të teknologjisë.
Tabela e mëposhtme ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonikëve tanë:
| Vëllimi i grupit | Shkalla e rrjedhjes | Pajisjet e rekomanduara |
|---|---|---|
| 0.5 deri në 1.5mL | na | VialTweeter |
| 1 deri në 500 ml | 10 deri në 200 ml/min | UP100H |
| 10 deri në 2000 ml | 20 deri në 400 ml/min | UP200Ht, UP400 St |
| 0.1 deri në 20L | 0.2 deri në 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 deri në 100 litra | 2 deri në 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 deri në 150 litra | 3 deri në 15 l/min | UIP6000hdT |
| na | 10 deri në 100 l/min | UIP16000hdT |
| na | më të mëdha | grumbull i UIP16000hdT |
Përtej Grafenit: Ultratinguj për Materiale 2D (“xenes”)
Eksfolimi tejzanor nuk kufizohet vetëm në grafen.
Përdoret gjithashtu gjerësisht për prodhimin e kseneve, analogët 2D me një shtresë të grafenit, duke përfshirë:
- Borofen (dhe nanoshirita borofen / oksid borofen)
- MXenes (karbide, nitride, karbonitride të metaleve të tranzicionit 2D)
- Bismuten (i njohur për elektrokatalizën dhe biokompatibilitetin)
- Siliceni (silici 2D i ngjashëm me grafenin)
I njëjti mekanizëm i kavitacionit e bën ultratingullin një nga rrugët më të shkallëzueshme për shumë materiale 2D të shtresuara.
Sonicator UIP2000hdT për sintezën industriale të grafenit
Literatura / Referencat
- FactSheet – Ultrasonic Graphene Exfoliation – Hielscher Ultrasonics
- 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.
- 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.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
pyetjet e bëra shpesh
Çfarë e bën grafenin kaq unik?
Grafeni shpesh përshkruhet si materiali më i hollë dhe më i fortë i njohur. Por vlera e tij e vërtetë qëndron në mënyrën se si struktura e tij atomike përkthehet në performancë të jashtëzakonshme.
- Fortësi ekstreme mekanike
Grafeni ka një rezistencë ndaj tërheqjes që vlerësohet të jetë deri në 200 herë më e fortë se çeliku. Kjo e bën atë një kandidat ideal për materiale të lehta dhe me rezistencë të lartë - veçanërisht në industritë ku performanca për gram ka rëndësi. - Përçueshmëri e jashtëzakonshme elektrike
Grafeni e përçon energjinë elektrike edhe më mirë se bakri. Kjo hap derën për elektronikë më të shpejtë, më të vogël dhe më efikase, duke përfshirë qarqe fleksibël dhe komponentë ultra të hollë. - Përçueshmëri termike superiore
Grafeni e përçon nxehtësinë jashtëzakonisht mirë - madje edhe më mirë se diamanti. Kjo e bën atë shumë të vlefshëm për shpërndarjen e nxehtësisë në elektronikë, sistemet e menaxhimit termik dhe pajisjet e përparuara të energjisë. - Transparencë e Lartë Optike
Pavarësisht forcës dhe përçueshmërisë së tij, grafeni është pothuajse transparent. Kjo e bën atë të përshtatshëm për filma transparentë përçues, komponentë optikë dhe teknologji të përparuara të ekranit.
Pse është grafeni një “Materiali i platformës” për shumë industri?
Meqenëse grafeni kombinon në mënyrë unike forcën mekanike, përçueshmërinë elektrike, performancën termike dhe transparencën optike, ai nuk kufizohet në një vend të vetëm. Përkundrazi, ai shërben si një material platforme i aftë të përmirësojë sektorë të tërë të teknologjisë.
- Në elektronikë, grafeni mundëson zhvillimin e komponentëve ultra të hollë, fleksibël dhe me performancë të lartë. Studiuesit po eksplorojnë integrimin e tij në transistorët e gjeneratës së ardhshme, filmat përçues transparentë, qelizat diellore dhe pajisjet që lëshojnë dritë. Lëvizshmëria e tij e jashtëzakonshme e bartësit të ngarkesës e bën atë veçanërisht tërheqës për sistemet elektronike të miniaturizuara dhe me shpejtësi të lartë.
- Në fushën e ruajtjes së energjisë, përçueshmëria e lartë elektrike dhe stabiliteti termik i grafenit kontribuojnë në përmirësimin e performancës së baterisë dhe superkondensatorit. Pajisjet që përfshijnë grafenin mund të shfaqin dendësi më të lartë energjie, shpejtësi më të shpejta karikimi dhe stabilitet të përmirësuar të ciklit. – parametra kritikë për lëvizshmërinë elektrike dhe sistemet e energjisë së rinovueshme.
- Grafeni gjithashtu përmirëson ndjeshëm materialet kompozite. Kur përfshihet në polimere, metale ose qeramikë, edhe sasi të vogla mund të rrisin forcën mekanike, ngurtësinë dhe përçueshmërinë termike. Kjo i bën kompozitet e përforcuara me grafenë tërheqëse për komponentët e hapësirës ajrore, strukturat e automobilave dhe materialet e ndërtimit të përparuara.
- Në aplikimet biomjekësore dhe bioinxhinierike, kimia e sipërfaqes së akordueshme dhe biokompatibiliteti i grafenit lejojnë përdorimin e tij në sistemet e administrimit të barnave, biosensorët dhe skelat e inxhinierisë së indeve. Këto veti hapin rrugë për teknologji të përparuara diagnostikuese dhe terapeutike.
Hielscher Ultrasonics prodhon homogjenizues tejzanor me performancë të lartë nga laboratori te madhësia industriale.