Eksfolimi i grafenit me bazë uji

Eksfolimi me ultratinguj mundëson prodhimin e grafenit me pak shtresa pa përdorur tretës agresivë, duke përdorur vetëm ujë të pastër. Sonikimi me fuqi të lartë i ndan fletët e grafenit në shtresa gjatë një trajtimi të shkurtër. Shmangia e tretësve e kthen eksfolimin e grafenit në një proces ekologjik dhe të qëndrueshëm.

Prodhimi i grafenit nëpërmjet eksfolimit në fazë të lëngët

Grafeni prodhohet në shkallë tregtare nëpërmjet të ashtuquajturit eksfolim në fazë të lëngët. Eksfolimi i grafenit në fazë të lëngët kërkon përdorimin e tretësve toksikë, të dëmshëm për mjedisin dhe të kushtueshëm, të cilët përdoren si paratrajtim kimik ose në kombinim me një teknikë mekanike të shpërndarjes. Për shpërndarjen mekanike të fletëve të grafenit, trajtimi me ultratinguj është vendosur si një teknikë shumë e besueshme, efikase dhe e sigurt për prodhimin e fletëve të grafenit me cilësi të lartë në sasi të mëdha, në shkallë plotësisht industriale. Meqë përdorimi i tretësve agresivë shoqërohet gjithmonë me kosto, ndotje, largim dhe asgjësim kompleks, shqetësime për sigurinë dhe ngarkesë mjedisore, një alternativë jotoksike dhe më e sigurt ofron përparësi të konsiderueshme. Prandaj, eksfolimi i grafenit duke përdorur ujin si tretës dhe ultratingujt me fuqi të lartë për ndarjen mekanike të fletëve të grafenit me pak shtresa është një teknikë shumë premtuese për prodhimin ekologjik të grafenit.
Tretësit e zakonshëm, të cilët përdoren shpesh si fazë e lëngët për shpërndarjen e nanofletëve të grafenit, përfshijnë dimetil sulfoksidin (DMSO), N,N-dimetilformamidin (DMF), N-metil-2-pirrolidonin (NMP), tetrametilurenë (TMU), tetrahidrofuranin (THF), propilen karbonatacetonin (PC), etanolin dhe formamidin.
Si një teknikë prej kohësh e konsoliduar për eksfolimin e grafenit në shkallë tregtare, trajtimi me ultratinguj mundëson prodhimin e grafenit me cilësi dhe pastërti të lartë me kosto të ulët. Meqë eksfolimi i grafenit me ultratinguj mund të shkallëzohet në mënyrë plotësisht lineare për çdo vëllim, rendimenti i prodhimit të fletëzave të grafenit me cilësi të lartë mund të realizohet lehtësisht edhe në prodhimin masiv të grafenit.

Shpërndarësi me ultratinguj UIP2000hdT, një sistem i fuqishëm sonik prej 2000 vatësh, për eksfolimin dhe shpërndarjen e grafenit.

UIP2000hdT është një shpërndarës i fuqishëm me ultratinguj me fuqi 2kW për eksfolimin dhe shpërndarjen e grafenit.

Eksfolimi i grafenit në ujë me ultratinguj

Tyurnina et al. (2020) hetuan efektet e amplitudës dhe intensitetit të sonikimit mbi tretësirat ujë i pastër–grafit dhe eksfolimin e grafenit që rezulton prej tyre. Në studim, ata përdorën një Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Eksfolimi me ultratinguj duke përdorur ujë u zbatua si një proces me një hap të vetëm për ndarjen e grafenit me pak shtresa. Një trajtim i shkurtër prej 2h ishte i mjaftueshëm për të prodhuar grafen me pak shtresa në një konfigurim sonikimi me gotë laboratorike të hapur.

Një sekuencë pamjesh e regjistruar me shpejtësi të lartë (nga a deri në f) që ilustron eksfolimin sonomekanik të një fletëze grafiti në ujë duke përdorur UP200s, një pajisje me ultratinguj 24 kHz me sonotrodë 3-mm. Shigjetat tregojnë vendin e ndarjes (eksfolimit), ku flluskat e kavitacionit depërtojnë në çarjen e krijuar.
© Tyurnina et al., 2020

Optimizimi i eksfolimit të grafenit me ultratinguj

Konfigurimi me ultratinguj i përdorur nga Tyurnina et al. (2020) mund të optimizohet lehtësisht për efikasitet më të lartë dhe eksfolim më të shpejtë duke përdorur një reaktor të mbyllur me ultratinguj në regjim me rrjedhje përmes tij. Trajtimi me ultratinguj në linjë mundëson një trajtim dukshëm më të njëtrajtshëm me ultratinguj të të gjithë lëndës së parë të grafitit: duke e furnizuar tretësirën grafit / ujë drejtpërdrejt në hapësirën e kufizuar të kavitacionit ultrasonik, i gjithë grafiti sonikohet në mënyrë të njëtrajtshme, duke dhënë një rendiment të lartë të fletëzave të grafenit me cilësi të lartë.
Sistemet Hielscher Ultrasonics mundësojnë kontroll të saktë të të gjithë parametrave të rëndësishëm të përpunimit, si amplituda, koha / koha e qëndrimit, energjia e futur (Ws/mL), presioni dhe temperatura. Vendosja e parametrave optimalë të ultratingujve siguron rendimentin, cilësinë dhe efikasitetin e përgjithshëm më të lartë.

Si e nxit trajtimi me ultratinguj eksfolimin e grafenit

Kur valët e ultratingujve me fuqi të lartë transmetohen në një suspension pluhuri grafiti dhe uji ose të çfarëdo tretësi, forcat sonomekanike, si forcat e larta prerëse, turbulencat intensive dhe diferencat e mëdha të presionit dhe temperaturës, krijojnë kushte me intensitet të lartë energjetik. Këto kushte me intensitet të lartë energjetik janë rezultat i fenomenit të kavitacionit akustik.
Lexoni më shumë rreth kavitacionit ultrasonik këtu!
Ultratingujt me fuqi të lartë nisin zgjerimin e pluhurit të grafitit, pasi fluidet shtyhen nën presion ndërmjet shtresave të grafenit që përbëjnë grafitin. Forcat prerëse të ultratingujve i ndajnë fletët individuale të grafenit nga njëra-tjetra dhe i shpërndajnë ato si fletëza grafeni në tretësirë. Për të siguruar qëndrueshmëri afatgjatë të grafenit në ujë, nevojitet një surfaktant.

Dispergimi ultrasonik i blozës së karbonit me sonikatorin UP200St

Mekanizmi i eksfolimit të grafenit me ultratinguj në fazë të lëngët.
Studimi dhe figura nga Tyurnina et al., 2021.

Pajisje me ultratinguj me performancë të lartë për eksfolimin e grafenit

Funksionet inteligjente të pajisjeve me ultratinguj Hielscher janë projektuar për të garantuar funksionim të besueshëm, rezultate të riprodhueshme dhe lehtësi përdorimi. Cilësimet e funksionimit mund të hapen dhe të përcaktohen lehtësisht nëpërmjet një menyje intuitive, e cila mund të hapet nëpërmjet ekranit dixhital me ngjyra dhe me prekje, si dhe kontrollit në distancë përmes shfletuesit. Kështu, të gjitha kushtet e përpunimit, si energjia neto, energjia totale, amplituda, koha, presioni dhe temperatura, regjistrohen automatikisht në një kartë SD të integruar. Kjo ju mundëson të rishikoni dhe të krahasoni ciklet e mëparshme të sonikimit dhe ta optimizoni procesin e eksfolimit të grafenit për efikasitetin më të lartë.
Sistemet Hielscher Ultrasonics përdoren në mbarë botën për prodhimin e fletëve të grafenit me cilësi të lartë dhe të oksideve të grafenit. Pajisjet industriale me ultratinguj Hielscher mund të punojnë lehtësisht me amplituda të larta në funksionim të vazhdueshëm (24/7/365). Amplituda deri në 200µm mund të gjenerohen lehtësisht dhe vazhdimisht me sonotroda standarde (sonda / brirë ultrasonikë dhe Cascatrodes^TM). Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të personalizuara. Falë qëndrueshmërisë së tyre dhe kërkesave të ulëta për mirëmbajtje, sistemet tona të eksfolimit me ultratinguj instalohen zakonisht për aplikime me ngarkesë të rëndë dhe në mjedise me kërkesa të larta.

Procesorët me ultratinguj Hielscher për eksfolimin e grafenit janë instaluar tashmë në mbarë botën në shkallë tregtare. Na kontaktoni tani për të diskutuar procesin tuaj të prodhimit të grafenit! Stafi ynë me përvojë të gjerë do të ndajë me kënaqësi më shumë informacion rreth procesit të eksfolimit, sistemeve me ultratinguj dhe çmimeve!

Për të mësuar më shumë rreth sintezës, shpërndarjes dhe funksionalizimit të grafenit me ultratinguj, klikoni këtu:

Tabela më poshtë ju jep një ide të kapacitetit të përafërt të përpunimit të pajisjeve tona me ultratinguj:

Vëllimi i serisë	Prurja	Pajisjet e rekomanduara
1 deri në 500mL	10 deri në 200mL/min	UP100H
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	UIP4000hdT
n.a.	10 deri në 100L/min	UIP16000
n.a.	më e madhe	grup pajisjesh UIP16000

Na kontaktoni! / Na pyesni!

Homogjenizuesit me ultratinguj me forca të larta prerëse përdoren në përpunimin laboratorik, në tavolinë pune, pilot dhe industrial.

Hielscher Ultrasonics prodhon homogjenizues me ultratinguj me performancë të lartë për aplikime përzierjeje, shpërndarjeje, emulsifikimi dhe ekstraktimi në shkallë laboratorike, pilot dhe industriale.

Tema të lidhura

Literatura / Referencat

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.

Fakte që ia vlen të dini

Çfarë është grafeni?

Grafeni është një monoshtresë atomesh karboni me lidhje sp². Grafeni ofron karakteristika unike të materialit, si 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 të 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 të tij superiore si material, grafeni përdoret gjerësisht në zhvillimin dhe prodhimin e baterive me performancë të lartë, qelizave të karburantit, qelizave diellore, superkondensatorëve, sistemeve të ruajtjes së hidrogjenit, mburojave elektromagnetike dhe pajisjeve elektronike. Për më tepër, grafeni përfshihet në shumë nanokompozite dhe materiale kompozite si shtesë përforcuese, p.sh. në polimere, qeramika dhe matrica metalike. Për shkak të përçueshmërisë së tij të lartë, grafeni është një përbërës i rëndësishëm i bojërave dhe bojërave të shtypit përçuese.
Përgatitja e shpejtë dhe e sigurt e grafenit pa defekte me ultratinguj, në vëllime të mëdha dhe me kosto të ulët, mundëson zgjerimin e përdorimeve të grafenit në gjithnjë e më shumë industri.
Grafeni është një shtresë karboni me trashësi sa një atom, e cila mund të përshkruhet si strukturë njështresore ose 2D e grafenit (grafen njështresor = SLG). Grafeni ka sipërfaqe specifike jashtëzakonisht të madhe dhe veti mekanike superiore (modul të Young-ut prej 1 TPa dhe rezistencë të brendshme prej 130 GPa), ofron përçueshmëri të lartë elektronike dhe termike, lëvizshmëri të bartësve të ngarkesës, tejdukshmëri dhe është i papërshkueshëm nga gazet. Për shkak të këtyre karakteristikave të materialit, grafeni përdoret si shtesë përforcuese për t’u dhënë kompoziteve rezistencën, përçueshmërinë e tij etj. Për të kombinuar karakteristikat e grafenit me ato të materialeve të tjera, grafeni duhet të shpërndahet në përbërje ose të aplikohet si veshje me shtresë të hollë mbi një substrat.

Hielscher Ultrasonics furnizon homogjenizues me ultratinguj me performancë të lartë, nga përmasat laboratorike deri tek ato industriale.

Ultratinguj me performancë të lartë! Gama e produkteve të Hielscher mbulon të gjithë spektrin, nga pajisja kompakte laboratorike me ultratinguj, te njësitë për tavolinë pune dhe deri te sistemet plotësisht industriale me ultratinguj.