Ексфолијација графена у води
Ултразвучна ексфолијација омогућава производњу графена са неколико слојева без употребе агресивних растварача, уз коришћење искључиво чисте воде. Соникација велике снаге раслојава графенске листове током кратког третмана. Избегавање растварача чини ексфолијацију графена еколошким, одрживим процесом.
Производња графена ексфолијацијом у течној фази
Графен се комерцијално производи такозваном ексфолијацијом у течној фази. Ексфолијација графена у течној фази захтева употребу токсичних, по животну средину штетних и скупих растварача, који се користе за хемијски предтретман или у комбинацији са техником механичког дисперговања. За механичко дисперговање графенских листова, ултразвучна обрада се усталила као веома поуздана, ефикасна и безбедна техника за производњу висококвалитетних графенских листова у великим количинама на потпуно индустријском нивоу. Пошто је употреба агресивних растварача увек праћена трошковима, контаминацијом, сложеним уклањањем и одлагањем, безбедносним проблемима и оптерећењем животне средине, нетоксична и безбеднија алтернатива доноси значајне предности. Ексфолијација графена уз употребу воде као растварача и ултразвука велике снаге за механичко раслојавање графенских листова са неколико слојева стога представља веома перспективну технику за еколошку производњу графена.
Уобичајени растварачи, који се често користе као течна фаза за дисперговање графенских нанолистова, обухватају диметил-сулфоксид (DMSO), N,N-диметилформамид (DMF), N-метил-2-пиролидон (NMP), тетраметилуреу (TMU), тетрахидрофуран (THF), пропилен-карбонатацетон (PC), етанол и формамид.
Као техника која је већ дуго усталљена за ексфолијацију графена у комерцијалним размерама, ултразвучна обрада омогућава производњу висококвалитетног графена високе чистоће уз ниске трошкове. Пошто се ултразвучна ексфолијација графена може потпуно линеарно скалирати на било коју запремину, постизање приноса висококвалитетних графенских љуспица може се лако применити у масовној производњи графена.
UIP2000hdT је снажан ултразвучни диспергатор снаге 2kW за ексфолијацију и дисперговање графена.
Ултразвучна ексфолијација графена у води
Tyurnina и сар. (2020) испитивали су утицаје амплитуде и интензитета соникације на растворе чисте воде и графита и на ексфолијацију графена која притом настаје. У истраживању су користили Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ултразвучна ексфолијација уз употребу воде примењена је као једностепени процес раслојавања графена са неколико слојева. Кратак третман од 2h био је довољан за производњу графена са неколико слојева у поставци за соникацију у отвореној лабораторијској чаши.
Низ кадрова снимљених великом брзином (од a до f) који приказују сономеханичку ексфолијацију графитне љуспице у води уз употребу уређаја UP200s, ултразвучног процесора фреквенције 24 kHz са сонотродом од 3-mm. Стрелице показују место раздвајања (ексфолијације), при чему кавитациони мехурићи продиру у настали процеп.
© Tyurnina и сар., 2020
Оптимизација ултразвучне ексфолијације графена
Ултразвучна поставка коју су користили Tyurnina и сар. (2020) може се лако оптимизовати ради веће ефикасности и брже ексфолијације употребом затвореног ултразвучног реактора у проточном режиму. Ултразвучна обрада у линији омогућава знатно равномернију ултразвучну обраду целокупне графитне сировине: довођењем раствора графита и воде директно у ограничени простор ултразвучне кавитације, сав графит се равномерно соникује, што резултира високим приносом висококвалитетних графенских љуспица.
Системи Hielscher Ultrasonics омогућавају прецизну контролу свих важних параметара обраде, као што су амплитуда, време / време задржавања, унос енергије (Ws/mL), притисак и температура. Подешавање оптималних ултразвучних параметара резултира највишим приносом, квалитетом и укупном ефикасношћу.
Како ултразвучна обрада подстиче ексфолијацију графена
Када се ултразвучни таласи велике снаге спрегну са суспензијом графитног праха и воде или било ког растварача, сономеханичке силе, као што су снажно смицање, интензивна турбуленција и велике разлике притиска и температуре, стварају енергетски интензивне услове. Ови енергетски интензивни услови резултат су појаве акустичке кавитације.
Прочитајте више о ултразвучној кавитацији овде!
Ултразвук велике снаге покреће експанзију графитног праха, јер се течности потискују између графенских слојева од којих је графит састављен. Ултразвучне силе смицања раслојавају појединачне графенске листове и диспергују их као графенске љуспице у раствору. Да би се постигла дугорочна стабилност графена у води, потребна је површински активна материја.
Механизам ултразвучне ексфолијације у течној фази при ексфолијацији графена.
Истраживање и слика: Tyurnina и сар., 2021.
Ултразвучни процесори високих перформанси за ексфолијацију графена
Паметне функције ултразвучних процесора Hielscher осмишљене су тако да гарантују поуздан рад, поновљиве резултате и једноставну употребу. Радним подешавањима може се лако приступити и она се могу изабрати путем интуитивног менија, доступног преко дигиталног екрана у боји осетљивог на додир и даљинског управљања путем прегледача. Тако се сви услови обраде, као што су нето енергија, укупна енергија, амплитуда, време, притисак и температура, аутоматски бележе на уграђеној SD картици. То вам омогућава да прегледате и упоредите претходне циклусе соникације и оптимизујете процес ексфолијације графена ради постизања највише ефикасности.
Системи Hielscher Ultrasonics користе се широм света за производњу висококвалитетних графенских листова и графенских оксида. Индустријски ултразвучни процесори Hielscher могу лако да раде са високим амплитудама у непрекидном раду (24/7/365). Амплитуде до 200µm могу се лако непрекидно генерисати стандардним сонотродама (ултразвучне сонде / рогови и CascatrodesTM). За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери. Захваљујући својој робусности и малим захтевима за одржавање, наши системи за ултразвучну ексфолијацију често се инсталирају за примене са великим оптерећењем и у захтевним окружењима.
Ултразвучни процесори Hielscher за ексфолијацију графена већ су инсталирани широм света у комерцијалним размерама. Контактирајте нас сада да разговарамо о вашем процесу производње графена! Наше веома искусно особље радо ће вам пружити више информација о процесу ексфолијације, ултразвучним системима и ценама!
Да бисте сазнали више о ултразвучној синтези, дисперговању и функционализацији графена, кликните овде:
- Производња графена
- Графенске наноплочице
- Ексфолијација графена у води
- Графен који се може дисперговати у води
- Графенски оксид
- Ксени
| Запремина шарже | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | већи | група уређаја UIP16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси за мешање, дисперговање, емулговање и екстракцију у лабораторијским, пилотским и индустријским размерама.
Литература / Референце
- 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.
Чињенице које вреди знати
Шта је графен?
Графен је монослој sp2-везаних атома угљеника. Графен има јединствена својства материјала, као што су изузетно велика специфична површина (2620 m2 g-1), врхунска механичка својства са Јунговим модулом од 1 TPa и интринзичном чврстоћом од 130 GPa, изузетно висока електрична проводљивост (покретљивост електрона на собној температури од 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), веома висока топлотна проводљивост (изнад 3000 W m K-1), да наведемо најважнија својства. Због својих врхунских својстава, графен се широко користи у развоју и производњи батерија високих перформанси, горивних ћелија, соларних ћелија, суперкондензатора, система за складиштење водоника, електромагнетних штитова и електронских уређаја. Поред тога, графен се уграђује у многе нанокомпозите и композитне материјале као додатак за ојачавање, нпр. у полимере, керамику и металне матрице. Због своје високе проводљивости, графен је важна компонента проводљивих боја и мастила.
Брза и безбедна ултразвучна припрема графена без дефеката у великим запреминама уз ниске трошкове омогућава проширивање примене графена на све више индустријских грана.
Графен је слој угљеника дебљине једног атома, који се може описати као једнослојна или 2D структура графена (једнослојни графен = SLG). Графен има изузетно велику специфичну површину и врхунска механичка својства (Јунгов модул од 1 TPa и интринзичну чврстоћу од 130 GPa), одликује се високом електричном и топлотном проводљивошћу, покретљивошћу носилаца наелектрисања и провидношћу, а непропустљив је за гасове. Због ових својстава, графен се користи као додатак за ојачавање како би композитима дао своју чврстоћу, проводљивост итд. Да би се својства графена комбиновала са другим материјалима, графен се мора дисперговати у смеши или се наноси као танкослојни премаз на подлогу.
Ултразвучна технологија високих перформанси! Асортиман производа Hielscher покрива цео спектар, од компактног лабораторијског ултразвучног процесора, преко стоних уређаја, до потпуно индустријских ултразвучних система.