Eksfolimi me ultratinguj i grafenit të dispergueshëm në ujë
- Nanofletët e grafenit me një dhe dy shtresa mund të prodhohen shpejt përmes eksfolimit me ultratinguj, me kapacitet të lartë prodhimi dhe me kosto të ulët.
- Grafeni i eksfoluar me ultratinguj mund të funksionalizohet me biopolimere për të përftuar grafen të dispergueshëm në ujë.
- Përmes kavitacionit ultrasonik, grafeni i sintetizuar mund të përpunohet më tej në një dispersion të qëndrueshëm me bazë ujore.
Eksfolimi me ultratinguj i grafenit me cilësi të lartë
Trajtimi me ultratinguj është një metodë e besueshme për prodhimin e shtresave të grafenit (grafen me një, dy dhe pak shtresa) nga fletëzat ose grimcat e grafitit. Ndërsa teknika të tjera të zakonshme eksfolimi, si mullinjtë me sfera dhe me cilindra ose përzierësit me forca të larta prerëse, lidhen me cilësi të ulët dhe me përdorimin e reagentëve dhe tretësve agresivë, metoda e eksfolimit me ultratinguj bind me cilësinë e lartë të produktit, kapacitetin e lartë të procesit dhe kushtet e buta të përpunimit.
Kavitacioni ultrasonik krijon forca të forta prerëse, të cilat i ndajnë shtresat e mbivendosura të grafitit në grafen pa defekte me një, dy dhe pak shtresa.
Fletë grafeni të dispergueshme në ujë përmes trajtimit me ultratinguj
Trajtimi me ultratinguj është një procedurë efektive me rezultate të përsëritshme për të shpleksur nanotubat e karbonit në ujë ose në tretës organikë.[/caption]Në kushte normale, grafeni dispergohet me vështirësi në ujë dhe formon agregate dhe aglomerate kur dispergohet në mjedis ujor. Meqenëse sistemet ujore kanë përparësi të konsiderueshme, pasi janë të lira, jotoksike dhe miqësore me mjedisin, sistemet e grafenit me bazë ujore janë shumë tërheqëse për prodhuesit e grafenit dhe industrinë që e përdor më tej.
Për të përftuar nanofletë grafeni të dispergueshme në ujë, grafeni i eksfoluar me ultratinguj modifikohet me polisakaride / biopolimere si pullulani, kitozani, alginati, xhelatina ose goma arabike.
- grafen me cilësi të lartë
- rendiment i lartë
- dispersion me bazë ujore
- përqendrim i lartë
- efikasitet i lartë
- proces i shpejtë
- kosto e ulët
- kapacitet i lartë prodhimi
- miqësor me mjedisin
Reaktor ultrasonik me aparate me ultratinguj të tipit sondë për eksfolimin e grafenit në shkallë industriale
Protokolli i eksfolimit të drejtpërdrejtë të grafitit duke përdorur ultratinguj
Pullulani jojonik dhe alginati anionik (1,0 g) u tretën veçmas në 20 ml ujë të distiluar, ndërsa kitozani kationik (0,4 g) u tret në 20 ml ujë të distiluar me 1 wt% acid acetik. Pluhuri i grafitit u dispergua në tretësirat ujore të biopolimereve dhe u trajtua duke përdorur një aparat me ultratinguj të tipit sondë UP200S (fuqi maksimale 200 W, frekuencë 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Gjermani), të pajisur me një sonotrodë titani (mikromajë S3, diametër maje 3 mm, amplitudë maksimale 210µm, dendësi e fuqisë akustike ose intensitet sipërfaqësor 460 W cm-2), në kushtet e mëposhtme: cikël 0,5 dhe amplitudë 50%, për një periudhë përkatësisht prej 10, 20, 30 dhe 60 min. Rezultatet më të mira u arritën me trajtim me ultratinguj për 30min. Trajtimi me ultratinguj u krye me fuqi 16,25 W për 30 minuta, me konsum energjie (energji e dhënë për njësi vëllimi) prej 731 Ws ml-1.
Më pas, përzierjet u centrifuguan në 1500 rpm për 60 min për të larguar grimcat e paeksfoluara të grafitit, pastaj u lanë 5 herë dhe u centrifuguan sërish në 5000 rpm për 20 min për të larguar biopolimeret e tepërta. Tretësirat gri të errëta që u përftuan u thanë në vakum në 40ºC derisa nuk pati më humbje mase. Pluhurat polimer–grafen që u përftuan u ridisperguan në ujë (1 mg ml-1 për pullulanin dhe kitozanin; 0,18 mg ml-1 për alginatin) për karakterizim. Fletët e grafenit të përftuara me trajtim me ultratinguj të ndihmuar nga pullulani, alginati dhe kitozani u shënuan përkatësisht si pull-G, alg-G dhe chit-G.
Nga të tre sistemet, pullulani dhe kitozani ishin më efektivë në eksfolimin e grafitit sesa alginati. Kjo metodë dha fletë grafeni të eksfoluara me një, dy dhe pak shtresa, me vetëm pak defekte anësore (në skaje). Adsorbimi i biopolimereve në sipërfaqen e grafenit siguron qëndrueshmëri afatgjatë (më shumë se 6 muaj) të dispersionit ujor.
(krahaso Unalan et al. 2015)
Një sekuencë kuadrosh me shpejtësi të lartë (nga a në f) që ilustron eksfolimin sonomekanik të një fletëze grafiti në ujë duke përdorur UP200S, një aparat me ultratinguj 200W me sonotrodë 3-mm. Shigjetat tregojnë vendin e çarjes (eksfolimit), me flluska kavitacioni që depërtojnë në çarje.
(studimi dhe fotografitë: © Tyurnina et al. 2020
Imazhe TEM të pull-G për: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G për 30 min; (f) alg-G për 30 min. (Unalan et al. 2015)
Aparate me ultratinguj për eksfolimin e grafenit
Procesorët me ultratinguj me fuqi të lartë të Hielscher përdoren në mbarë botën për eksfolimin dhe dispergimin me sukses të grafitit dhe grafenit. Disperguesit tanë me ultratinguj janë të disponueshëm nga njësitë laboratorike dhe ato për tavolinë pune deri te njësitë e plota të prodhimit industrial. Përveç qëndrueshmërisë, funksionimit 24/7 dhe nevojës së ulët për mirëmbajtje, aparatet me ultratinguj të Hielscher bindin me lehtësinë e madhe të përpunimit dhe mundësinë e rritjes lineare të shkallës.
Proceset mund të testohen dhe optimizohen lehtësisht në laborator. Më pas, të gjitha rezultatet e procesit mund të transferohen në mënyrë plotësisht lineare në shkallën e prodhimit komercial. Kjo e bën trajtimin me ultratinguj një metodë efektive dhe efikase prodhimi për vëllime të mëdha fletësh grafeni me cilësi të lartë.
Procesorët industrialë me ultratinguj të Hielscher Ultrasonics mund të japin amplituda shumë të larta. Amplituda deri në 200µm mund të përdoren lehtësisht dhe vazhdimisht në funksionim 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të personalizuara. Reaktorët përkatës me ultratinguj sigurojnë mundësinë e prodhimit masiv të besueshëm dhe të sigurt të nanofletëve të grafenit me cilësi të lartë, si edhe të dispersioneve të qëndrueshme të nanofletëve.
Qëndrueshmëria e pajisjeve me ultratinguj të Hielscher mundëson funksionimin 24/7 nën ngarkesa të rënda dhe në mjedise kërkuese.
Tabela e mëposhtme ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të aparateve tona me ultratinguj:
| Vëllimi i partisë | Prurja | Pajisjet e rekomanduara |
|---|---|---|
| 10 deri në 2000mL | 20 deri në 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 deri në 20L | 0,2 deri në 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 deri në 100L | 2 deri në 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 deri në 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | më e madhe | grup njësish UIP16000 |
Na kontaktoni! / Na pyesni!
Mekanizmi i eksfolimit me ultratinguj të nanofletëve 2D.
(studimi dhe grafika: Tyurnina et al., 2020)
Fakte që ia vlen të dini
Grafeni
Grafeni është një monoshtresë atomesh karboni të lidhura përmes sp2. Grafeni ofron karakteristika unike të materialit, si një sipërfaqe specifike jashtëzakonisht të madhe (2620 m2 g-1), veti mekanike superiore me modul të Young-ut prej 1 TPa dhe rezistencë të brendshme prej 130 GPa, përçueshmëri elektronike jashtëzakonisht të lartë (lëvizshmëri e elektroneve në temperaturën e dhomës prej 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), përçueshmëri termike shumë të lartë (mbi 3000 W m K-1), për të përmendur vetitë më të rëndësishme. Për shkak të vetive superiore të materialit, grafeni përdoret gjerësisht në zhvillimin dhe prodhimin e baterive me performancë të lartë, qelizave të karburantit, qelizave diellore, superkondensatorëve, sistemeve të ruajtjes së hidrogjenit, mbrojtëseve elektromagnetike dhe pajisjeve elektronike. Për më tepër, grafeni përfshihet në shumë nanokompozite dhe materiale kompozite si aditiv përforcues, p.sh. në polimere, qeramika dhe matrica metalike. Për shkak të përçueshmërisë së tij të lartë, grafeni është një përbërës i rëndësishëm i bojërave për lyerje dhe bojërave të shtypit që janë përçuese.
Përgatitja e shpejtë dhe e sigurt me ultratinguj e grafenit pa defekte në vëllime të mëdha me kosto të ulëta mundëson zgjerimin e zbatimeve të grafenit në gjithnjë e më shumë industri.
Literatura/Referencat
- 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 prodhon homogjenizues me ultratinguj me performancë të lartë nga përmasat laboratorike deri te përmasat industriale.