Eksfolimi tejzanor i grafenit që shpërndahet në ujë
- Nano fletët e grafenit me një dhe dy shtresa mund të prodhohen me shpejtësi nëpërmjet eksfolimit tejzanor me xhiro të lartë dhe me kosto të ulët.
- Grafeni i eksfoluar në mënyrë tejzanor mund të funksionalizohet me biopolimere në mënyrë që të përftohet grafeni i shpërndarë në ujë.
- Me anë të kavitacionit tejzanor, grafeni i sintetizuar mund të përpunohet më tej në një shpërndarje të qëndrueshme me bazë uji.
Eksfolimi me ultratinguj i grafenit me cilësi të lartë
Ultratingulli është një metodë e besueshme për të prodhuar shtresa grafeni (grafen mono-, dy dhe me pak shtresa) nga thekon ose grimcat e grafitit. Përderisa teknikat e tjera të zakonshme të eksfolimit si mullinjtë me top dhe rrotullime ose miksera me prerje të lartë janë të lidhura me cilësinë e ulët dhe përdorimin e reagentëve dhe tretësve agresivë, metoda e eksfolimit me ultratinguj bind me cilësinë e lartë të prodhimit, kapacitetin e lartë të procesit dhe kushtet e buta të përpunimit.
Kavitacioni tejzanor krijon forca të forta prerëse, të cilat ndajnë shtresat e grafitit të grumbulluara në shtresa mono-, dy- dhe disa shtresa të grafenit pa defekte.
Fletë grafeni që shpërndahen në ujë nëpërmjet sonication
Ultratingulli është një procedurë efektive me rezultate të përsëritshme për të zgjidhë nanotubat e karbonit në ujë ose tretës organikë.[/caption]Në kushte normale, grafeni vështirë se shpërndahet në ujë dhe formon agregate dhe aglomerate kur shpërndahet në mjedis ujor. Meqenëse sistemet ujore kanë avantazhe të rëndësishme për të qenë të lira, sistemet e grafenit me bazë uji jo toksike, miqësore me mjedisin janë shumë tërheqëse për prodhuesit e grafenit dhe industrinë e poshtme.
Për të marrë nanofletë grafeni të shpërndara në ujë, grafeni i eksfoluar në mënyrë ultrasonike modifikohet me polisaharide/biopolimere si pullulan, kitosan, alginate, xhelatinë ose gomë arabike.
- grafen me cilësi të lartë
- rendiment të lartë
- dispersion me bazë uji
- përqëndrim të lartë
- efikasitet të lartë
- proces i shpejtë
- çmim i ulët
- performancë të lartë
- miqësore me mjedisin
Reaktor tejzanor me ultrasonikë të tipit sondë për eksfolimin e grafenit në shkallë industriale
Protokolli i Eksfolimit Direkt të Grafitit duke përdorur Ultrasonikë
Pululani jo-jonik 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 shpërnda në tretësirat ujore të biopolimerit dhe u trajtua duke përdorur një ultrasonikë të tipit sondë UP200S (fuqia maksimale 200 W, frekuenca 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Gjermani) e pajisur me një sonotrode titani (mikro majë S3, diametri i majës 3 mm, amplitu maksimale 210µm, dendësia e fuqisë akustike ose intensiteti i sipërfaqes 460 W cm-2) në kushtet e mëposhtme: 0,5 cikël dhe 50% amplitudë, për një periudhë përkatësisht 10, 20, 30 dhe 60 min. Rezultatet më të mira u morën në sonikacion 30 min. Zërimi u aplikua në fuqinë 16,25 W për 30 minuta, me konsum të energjisë (prodhimi i energjisë për njësi vëllimi) prej 731 Ws ml-1.
Më pas, përzierjet u centrifuguan në 1500 rpm për 60 min për të hequr grimcat e grafitit të paeksfoluar dhe më pas u lanë 5 herë dhe përsëri u centrifuguan në 5000 rpm për 20 min për të hequr biopolimerët e tepërt. Tretësirat që rezultuan në gri të errët u thanë me vakum në 40ºC derisa të mos humbiste masë. Pluhurat që rezultuan nga polimer-grafeni u rishpërndanë në ujë (1 mg ml-1 për pullulan dhe kitosan; 0.18 mg ml-1 për alginate) për karakterizim. Fletët e grafenit të marra nga ultratingulli me ndihmën e pullulan-it, alginat-it dhe kitosanit u treguan përkatësisht si pull-G, alg-G dhe chit-G.
Nga tre sistemet, pullulan dhe kitosan ishin më efektivë në eksfolimin e grafitit sesa alginati. Kjo metodë nxori fletë grafeni të eksfoluar mono-, dy- dhe me pak shtresa me vetëm defekte anësore të ulëta (skajet). Adsorbimi i biopolimerëve në sipërfaqen e grafenit siguron një qëndrueshmëri afatgjatë (më shumë se 6 muaj) të dispersionit ujor.
(krh. Unalan et al. 2015)
Një sekuencë me shpejtësi të lartë (nga a në f) kornizash që ilustron 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
Imazhet 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)
Ultrasonikë për eksfolimin e grafenit
Procesorët tejzanor me fuqi të lartë Hielscher përdoren në mbarë botën për eksfolimin dhe shpërndarjen e suksesshme të grafitit dhe grafenit. Shpërndarësit tanë tejzanor janë të disponueshëm nga laboratori dhe tavolina deri në njësitë e plota të prodhimit industrial. Përveç qëndrueshmërisë, funksionimit 24/7 dhe mirëmbajtjes së ulët, ultrasonikët Hielscher bindin me lehtësinë e lartë të përpunimit dhe shkallëzueshmërinë lineare.
Proceset mund të testohen dhe optimizohen lehtësisht në laborator. Më pas, të gjitha rezultatet e procesit mund të shkallëzohen plotësisht lineare në nivelin e prodhimit komercial. Kjo e bën sonikimin një metodë prodhimi efektive dhe efikase për vëllimin e lartë të fletëve të grafenit me cilësi të lartë.
Procesorët tejzanor industrial Hielscher Ultrasonics mund të japin amplituda shumë të larta. Amplituda deri në 200µm mund të ekzekutohen lehtësisht vazhdimisht në funksionim 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotrode tejzanor të personalizuara. Reaktorët e përputhshëm me ultratinguj sigurojnë aftësinë e prodhimit masiv të besueshëm dhe të sigurt të nanofletave grafeni me cilësi të lartë, si dhe shpërndarje të qëndrueshme të nanofletave.
Fortësia e pajisjeve ultrasonike të Hielscher lejon funksionimin 24/7 në punë të rënda dhe në mjedise kërkuese.
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 |
|---|---|---|
| 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 | UIP4000 |
| na | 10 deri në 100 l/min | UIP16000 |
| na | më të mëdha | grumbull i UIP16000 |
Na kontaktoni! / Na pyesni!
Mekanizmi i eksfolimit tejzanor të nanofletave 2D.
(studim dhe grafik: Tyurnina et al., 2020)
Fakte që ia vlen të dihen
grafeni
Grafeni është një shtresë e vetme e sp2-atomet e karbonit të lidhur. Grafeni ofron karakteristika unike materiale të tilla si një sipërfaqe e jashtëzakonshme e madhe specifike (2620 m2g-1), veti mekanike superiore me një modul Young prej 1 TPa dhe një forcë të brendshme prej 130 GPa, një përçueshmëri elektronike jashtëzakonisht të lartë (lëvizshmëria e elektroneve në temperaturë dhome prej 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), përçueshmëri termike shumë e lartë (mbi 3000 W m K-1), për të përmendur pronat më të rëndësishme. Për shkak të vetive superiore të materialit, grafeni përdoret shumë në zhvillimin dhe prodhimin e baterive me performancë të lartë, qelizave të karburantit, qelizave diellore, superkondensatorëve, depove të hidrogjenit, mburojave elektromagnetike dhe pajisjeve elektronike. Për më tepër, grafeni përfshihet në shumë nanokompozite dhe materiale të përbëra si aditiv përforcues, p.sh. në polimere, qeramikë dhe matrica metalike. Për shkak të përçueshmërisë së tij të lartë, grafeni është një komponent i rëndësishëm i bojrave dhe bojërave përçuese.
E shpejtë dhe e sigurt përgatitja tejzanor e grafenit pa defekte në vëllime të mëdha me kosto të ulët mundëson zgjerimin e aplikimeve 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 tejzanor me performancë të lartë nga laboratori te madhësia industriale.