Hielscher ultraljud teknik

Ultraljud Grafen produktion

Ultraljud syntes av grafen via grafit exfoliering är den mest tillförlitliga och fördelaktiga metoden för att producera högkvalitativa grafen ark på industriell skala. Hielschers högpresterande ultraljudprocessorer är exakt kontrollerbara och kan generera mycket höga amplituder i 24/7-drift. Detta gör det möjligt att förbereda stora volymer av orördgrafen på ett facile och storlekskontrollerbara sätt.

Ultraljud beredning av graphene

Grafenet täckerEftersom de extraordinära egenskaperna hos grafit är kända, flera metoder för dess beredning har utvecklats. Förutom kemisk produktion av grafen från grafen oxid i flera steg processer, för vilka mycket starka oxiderande och reducerande medel behövs. Dessutom innehåller grafen beredd under dessa stränga kemiska förhållanden ofta en stor mängd defekter även efter reduktion jämfört med Grafenet som erhållits från andra metoder. Emellertid, ultraljud är ett bevisat alternativ till att producera hög kvalitet grafen, även i stora mängder. Forskarna har utvecklat lite olika sätt att använda ultraljud, men i allmänhet grafen produktionen är en enkel en-stegs process.
För att ge ett exempel på en specifik grafen produktions väg: grafit tillsätts i en blandning av utspädd organisk syra, alkohol och vatten, och sedan blandningen utsätts för ultraljud bestrålning. Syran fungerar som en “molekylär kil” som separerar ark av grafen från den överordnade grafiten. Genom denna enkla process, en stor mängd oskadad, hög kvalitet grafen spridda i vatten skapas. (En et al. 2010)

Hielscher's High Power Ultrasound Devices are the ideal tool to prepare graphene - both in lab scale as well as in full commercial process streams

Fig. 1: AFM bild av exfolierade GO ark med tre höjd profiler förvärvas på olika platser (Stankovich et al. 2007)

UIP2000hdT-2kW ultrasonicator för vätske bearbetning.

UIP2000hdT – 2kW kraftfull ultraljudsljudför grafen exfoliering

Informationsförfrågan




Notera vår Integritetspolicy.


Graphene direkt exfoliering

Ultraljud möjliggör beredning av grafen i organiska lösnings medel, tensider/vatten lösningar, eller Joniska vätskor. Detta innebär att användning av starka oxiderande eller reducerande medel kan undvikas. Stankovich et al. (2007) producerade grafen av exfoliering under ultraljud.
AFM bilder av grafen oxid exfolierad av Ultraljuds behandling vid koncentrationer av 1 mg/mL i vatten alltid avslöjade förekomsten av ark med enhetlig tjocklek (~ 1 Nm, exempel visas i Fig. 1 nedan). Dessa väl exfolierade prover av grafen oxid innehöll inga ark antingen tjockare eller tunnare än 1nm, vilket leder till en slutsats att fullständig exfoliering av grafen oxid ner till enskilda grafen oxid ark verkligen uppnåddes under dessa förhållanden. (Stankovich et al. 2007)

Beredning av graphene Sheets

Stengl et al. har visat en lyckad beredning av ren grafen ark i stora mängder under produktionen av nonstoichiometric TiO2 grafen nanocomposit genom termisk hydrolys av fjädring med grafen grafen och Titania peroxo komplex. Den rena grafen grafen producerades från naturlig grafit med hjälp av en hög intensitet kavitation fält som genereras av hielschers ultraljud processor UIP1000hd i ett högtrycks ultraljud reaktor vid 5 bar. Grafen ark erhålls, med hög specifik yta och unika elektroniska egenskaper, kan användas som ett bra stöd för TiO2 att förbättra den foto katalytiska aktiviteten. Forskar gruppen hävdar att kvaliteten på ultraljud för beredda grafen är mycket högre än grafen erhålls genom hummer metod, där grafit är exfolierad och oxiderade. Eftersom de fysiska förhållandena i ultraljud reaktorn kan kontrol leras exakt och antagandet att koncentrationen av grafen som en dopämne kommer att variera i intervallet 1 – 0001%, produktionen av grafen i ett kontinuerligt system på kommersiell skala är möjlig.

Beredning av ultraljud behandling av graphene oxid

Oh et al. (2010) har visat en förberedelse rutt med ultraljud bestrålning att producera grafen oxid (gå) lager. Därför, de suspenderade tjugofem milligram av grafen oxid pulver i 200 ml avjoniserat vatten. Genom omrörning fick de en inhomogen brun SUS pension. Den resulterande SUS pensioner var sonicated (30 min, 1,3 × 105J), och efter torkning (vid 373 K) ultraljud behandlade grafen oxid producerades. En FTIR-spektroskopi visade att Ultraljuds behandling inte förändrade de funktionella grupperna av grafen oxid.

Ultrasonically exfolierad grafen oxid grafen

Fig. 2: SEM bild av grafen grafen erhålls genom ultraljud (Oh et al. 2010)

Ultraljud syntes av grafen med en Hielscher UIP4000hdT

UIP4000hdT – 4 kW hög effekt ultraljudsljudare

Funktionalisering av graphene Sheets

Xu och Suslick (2011) beskriver en bekväm en-stegs metod för beredning av polystyren functionalized grafit. I sin studie använde de grafit flingor och styren som bas råvara. Genom att sonicera grafit flingor i styren (en reaktiv monomer), resulterade ultraljud bestrålning i mechanochemical exfoliering av grafit flingor i ett enda lager och få lager grafen ark. Samtidigt har funktionaliseringen av grafen ark med polystyren kedjor uppnåtts.
Samma process av funktionalisering kan utföras med andra vinylmonomerer för kompositer baserade på grafen.

Beredning av Nanoribbons

Forskar gruppen Hongjie Dai och hans kollegor från Stanford University hittade en teknik för att förbereda nanoribbons. Grafen band är tunna remsor av grafen som kan ha ännu mer användbara egenskaper än grafen ark. Vid bredder på ca 10 nm eller mindre, grafen band beteendet liknar en halvledare som elektroner tvingas flytta på längden. Därmed kan det vara intressant att använda nanobanden med halvledar-liknande funktioner i elektronik (t. ex. för mindre, snabbare dator chips).
Dai et al. beredning av grafen nanobanden baser på två steg: för det första lossade de lagren av grafen från grafit genom en värmebehandling av 1000 º c i en minut i 3% väte i argon gas. Sedan var grafen bryts upp i remsor med hjälp av ultraljud. Den nanobanden erhålls genom denna teknik kännetecknas av mycket "smidigare’ än de som görs med konventionella litografiska medel. (Jiao et al. 2009)

Beredning av Carbon Nanoscrolls

Carbon Nanoscrolls liknar flerväggiga kolnanorör. Skillnaden till MWCNTs är den öppna tips och full till gång till de inre ytorna till andra molekyler. De kan syntetiseras våt-kemiskt genom att interkalerande grafit med kalium, exfolierande i vatten och son ICA ting den kolloidal SUS pensionen. (jfr Viculis et al. 2003) Ultraljud hjälper rullning upp av grafen enskiktslager i kol nanoscrolls (se fig. 3). En hög omvandlings effektivitet på 80% har uppnåtts, som gör produktionen av nanoscrolls intressant för kommersiella tillämpningar.

Ultraljud assisterad syntes av kol nanoscrolls

Fig. 3: ultraljud syntes av Carbon Nanoscrolls (Viculis et al. 2003)

Informationsförfrågan




Notera vår Integritetspolicy.


Graphene dispersioner

Spridningen grad av grafen och grafen oxid är oerhört viktigt att använda den fulla potentialen av grafen med sina specifika egenskaper. Om grafen inte sprids under kontrollerade förhållanden, kan polydispersionen av grafen spridning leda till oförutsägbara eller nonideal beteende när det är införlivat i enheter eftersom egenskaperna för grafen varierar som en funktion av dess strukturella Parametrar. Sonication är en beprövad behandling för att försvaga mellanskiktet krafter och möjliggör en noggrann kontroll av viktiga bearbetning parametrar.
"För grafen oxid (go), som vanligt vis exfolieras som Single-Layer ark, en av de viktigaste polydispertion utmaningar uppstår från variationer i det laterala området av flingorna. Det har visats att den genomsnittliga laterala storleken på GO kan flyttas från 400 nm till 20 μm genom att ändra grafit utgångs material och ultraljudsbehandling villkor. " (Grön et al. 2010)
Ultraljud spridning resulterar i fina och även kolloidala slam har visats i flera andra studier. (LiU et al. 2011/baby et al. 2011/Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) har visat att genom användning av ultraljud en stabil grafen dispersion med en hög koncentration av 1 mg · mL − 1 och relativt ren grafen ark uppnås, och som-beredda grafen ark uppvisar en hög elektrisk konduktivitet av 712 S Mer från m− 1. Resultaten av Fourier omvandlas infraröd spektra och Raman Spectra undersökning visade att ultraljud förberedelse metoden har mindre skador på kemiska och kristall strukturer av grafen.

Högpresterande Ultrasonicators

För produktion av högkvalitativa grafennano-ark krävs tillförlitlig högpresterande ultraljudsutrustning. Amplitud, tryck och temperatur en viktig parametrar, som är avgörande för reproducerbarhet och konsekvent produktkvalitet. Hielscher Ultrasonics’ ultraljud processorer är kraftfulla och exakt kontrollerbara system, vilket möjliggör den exakta inställningen av processparametrar och kontinuerlig hög effekt ultraljud utgång. Hielscher Ultrasonics’ industriella ultraljud processorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder, anpassade ultraljud sonotrodes finns. Robustheten av Hielschers ultraljud utrustning möjliggör 24/7 drift vid tunga och i krävande miljöer.
Våra kunder är nöjda med den enastående robustheten och tillförlitligheten hos Hielscher Ultraljuds system. Installation i fält av tunga applikationer, krävande miljöer och 24/7 drift säkerställer effektiv och ekonomisk bearbetning. Ultraljud processintensifiering minskar handläggningstiden och uppnår bättre resultat, dvs högre kvalitet, högre avkastning, innovativa produkter.
Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera:

batch Volym Flödeshastighet Rekommenderade Devices
0.5 till 1,5 ml n.a. VialTweeter
1 till 500 ml 10 till 200 ml / min UP100H
10 till 2000 ml 20 till 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 till 20L 0.2 till 4L / min UIP2000hdT
10 till 100 liter 2 till 10 1 / min UIP4000hdT
n.a. 10 till 100 l / min UIP16000
n.a. större kluster av UIP16000

Kontakta oss / Fråga mer

Prata med oss ​​om dina behandlingsbehov. Vi kommer att rekommendera den mest lämpliga inställningar och processparametrar för ditt projekt.





Observera att våra Integritetspolicy.


Ladda ner hela artikeln som PDF här:
Ultraljud assisterad beredning av grafen


Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljud Homogenisatorer för spridning, emulgering och cell utvinning.

Hög effekt ultraljud homogenisatorer från lab till pilot och industriell skala.

Litteratur / Referenser

  • En, X.; Simmons, T.; Shah, R.; Wolfe, C.; Lewis, K. M.; Washington, M.; Mer från Nayak, S. K.; Talapatra, S.; Kar, S. (2010): stall vattenhaltiga dispersioner av noncovalently funktionaliserade grafen från grafit och deras multifunktionella högpresterande applikationer. Nano bokstäver 10/2010. s. 4295-4301.
  • Bebis, T. th.; Ramaprabhu, S. (2011): förstärkt Konvektiv värme överföring med hjälp av grafen spridda nanofluids. Nanoskala forsknings brev 6:289, 2011.
  • Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): applikationer av ultraljud till syntesen av Nanostrukturerade material. Avancerade material 22/2010. s. 1039-1059.
  • Choi, E. Y.; Han, T. H.; Hong, J.; Kim, J. E.; Lee, S. H.; Kim, H. W.; Kim S. nolla. (2010): noncovalent funktionalisering av grafen med avsluta-funktionella polymerer. Tidning material Kemi 20/2010. s. 1907-1912.
  • Geim A. K. (2009): graphene: status och framtids utsikter. Vetenskap 324/2009. s. 1530-1534. http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0906/0906.3799.pdf
  • Grön, A. A.; Hersam, M. C. (2010): nya metoder för att producera monodisperse graphene dispersioner. Tidning fysikalisk kemi Letters 2010. s. 544-549.
  • Guo, J.; Zhu, S.; Chen, Z.; Li, Y.; Yu, Z.; LiU, Z.; LiU, Q.; Li, J.; Feng, C.; Zhang d. (2011): sonochemical syntes av tio (2 nanopartiklar på grafen för bruk som foto katalysatorn
  • Hasan, K. UL; Sandberg, M. O.; Nur, O.; Willander M. (2011): polycation stabilisering av grafen upphängning. Nanoskala forsknings brev 6:493, 2011.
  • LiU, X.; Panorera, L.; LV, T.; Zhu, G.; Lu, T.; Sön, Z.; Sun, C. (2011): Mikrovågsassisterad syntes av TiO2-reducerade grafenoxidkompositer för den foto katalytiska reduktionen av CR (VI). RSC förskott 2011.
  • Malig, J.; Englert, J. M.; Hirsch, A.; Guldi, D. M. (2011): våt kemi av Graphene. Det elektrokemiska samhällets gränssnitt, Spring 2011. s. 53-56.
  • Åh, W. ch.; Chen, M. L.; Zhang, K.; Zhang, F. J.; Jang, W. K. (2010): effekten av termisk och Ultraljuds behandling på bildandet av graphene-oxid nanosheets. Tidning av det koreanska läkar undersökning samhället 4/56, 2010. s. 1097-1102.
  • Sametband, M.; Shimanovich, U.; Gedanken, A. (2012): graphene oxid mikrosfärer utarbetats av en enkel, ett steg ultraljud metod. Ny tidning av kemi 36/2012. s. 36-39.
  • Savoskin, M. V.; Mochalin, V. N.; Yaroshenko, A. P.; Lazareva, N. I.; Konstanitinova, T. E.; Baruskov, I. V.; Prokofiev, I. G. (2007): Carbon nanoscrolls produceras från Acceptor-typ grafit interkalation föreningar. Kol 45/2007. s. 2797-2800.
  • Stankovich, S.; Dikin, D. A.; Piner, R. D.; Kohlhaas, K. A.; Kleinhammes, A.; Mer från Jia, Y.; Wu, Y.; Nguyen, S. T.; Ruoff, R. S. (2007): syntes av graphene-baserade grafen via kemisk reduktion av exfolierad grafit oxid. Kol 45/2007. s. 1558-1565.
  • Stengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-graphene Nanocomposite som högpresterande Photokatalysatorer. I: tidning fysikalisk kemi C 115/2011. s. 25209-25218.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer encyklopedi av kemisk teknologi; 4. ED. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, PP. 517-541.
  • Viculis, L. M.; Mack, J. J.; Kaner, R. B. (2003): en kemisk rutt till kol Nanoscrolls. Vetenskap, 299/1361; på 2003.
  • Xu, H.; Suslick, K. S. (2011): Sonochemical förberedelse av Functionalized Graphenes. I: föra journal över av Amerikankemiskt samhälle 133/2011. s. 9148-9151.
  • Zhang, W.; Han, W.; Jing, X. (2010): beredning av en stabil graphene dispersion med hög koncentration av ultraljud. Tidning fysikalisk kemi B 32/114, 2010. s. 10368-10373.
  • Mer från Jiao, L.; Mer från Zhang, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Dai, H. (2009): smala grafen nanobanden från kolnanorör. Natur 458/2009. s. 877-880.
  • Parkera, G.; Lee, K. G.; Mer från Lee, S. J.; Park, T. J.; Wi, R.; Kim, D. H. (2011): syntes av graphene-guld Nanocomposites via Sonochemical reduktion. Tidning nanovetenskap och nano teknik 7/11, 2011. s. 6095-6101.
  • Zhang, R.Q.; De Sakar, A. (2011): teoretiska studier på bildande, egenskaps trimma och adsorption av graphene segmenterar. I: M. Sergey (ED.): fysik och applikationer av graphene – teori. InTech 2011. s. 3-28.


Fakta Värt att veta

Vad är Grafen?

Grafit består av två dimensionella ark av SP2-hybridiserade, hexagalt arrangerade kol atomer-grafen-som regelbundet staplas. Grafen är Atom-tunna ark, som bildar grafit av icke-bindning interaktioner, kännetecknas av en extrem större yta. Grafen visar en extraordinär styrka och fasthet längs dess basala nivåer som når med ca. 1020 GPa nästan styrkan värdet av diamant.
Grafen är det grundläggande strukturella elementet i vissa allotropes inklusive, förutom grafit, även kolnanorör och fullerener. Används som tillsats, grafen kan dramatiskt förbättra den elektriska, fysiska, mekaniska och barriär egenskaper polymerkompositer vid extremt låga belastningar. (Xu, Suslick 2011)
Genom sina egenskaper är grafen ett material av superlativ och därmed lovande för industrier som producerar kompositer, beläggningar eller mikroelektronik. Geim (2009) beskriver grafen som supermaterial koncist i följande stycke:
– Det är det tunnaste materialet i universum och det starkaste som någonsin mätts. Dess laddnings bärare uppvisar jätte inneboende rörlighet, har den minsta effektiva massan (det är noll) och kan resa mikrometer-långa sträckor utan spridning vid rums temperatur. Grafen kan upprätthålla nuvarande tätheter 6 beställningar högre än koppar, visar rekord värmeledningsförmåga och stelhet, är ogenomtränglig för gaser och förenar sådana motstridiga kvaliteter som sprödhet och duktilitet. Elektron transport i grafen beskrivs av en Dirac-liknande ekvation, som gör det möjligt att utreda relativistiska kvantfenomen i ett bänk experiment. "
På grund av dessa enastående materials egenskaper är grafen ett av de mest lovande materialen och står i fokus för nanomaterial forskning.

Potentiella applikationer för grafen

Biologiska tillämpningar: ett exempel för ultraljud grafen beredning och dess biologiska användning ges i studien "syntes av grafen-Gold nanocomposites via sonochemical Reduction" av Park et al. (2011), där en nanokomposit från reducerad grafen oxid -guld (AU) nanopartiklar syntetiserades genom att samtidigt minska guld joner och deponera Guldnanopartiklar på ytan av den reducerade grafen oxid samtidigt. För att under lätta minskningen av guld joner och generering av syre funktioner för att förankra guldnanopartiklarna på den reducerade grafen oxid, ultraljud bestrålning tillämpades på blandningen av reaktanter. Produktionen av guld-bindande-peptid-modifierade bio molekyler visar potentialen av ultraljud bestrålning av grafen och Grafenet kompositer. Därför verkar ultraljud vara ett lämpligt verktyg för att förbereda andra biomolecules.
Elektronik: grafen är ett mycket funktionellt material för den elektroniska sektorn. Av den höga rörligheten av laddnings bärarna inom grafen ' s Grid, är grafen av högsta intresse för utvecklingen av snabba elektroniska komponenter i hög frekvens-teknik.
Sensorer: den ultraljud exfolierade grafen kan användas för produktion av mycket känsliga och selektiva conductometric sensorer (vars motstånd snabbt förändras >10 000% i mättad etanol ånga) och ultracapacitorer med extremt hög specifik kapacitans (120 F/g), effekt täthet (105 kW/kg), och energi täthet (9,2 Wh/kg). (En et al. 2010)
Alkohol: för alkohol produktion: en sida ansökan kan vara användningen av grafen i alkohol produktionen, där grafen membran kan användas för att disodla alkohol och göra därmed alkoholhaltiga drycker starkare.
Som den starkaste, mest elektriskt ledande och en av de lättaste och mest flexibla materialen är grafen ett lovande material för sol celler, katalys, transparenta och emissiva displayer, mikromekaniska resonatorer, transistorer, som katoden i litium-luftbatterier, för ultra kemiska detektorer, ledande beläggningar samt användning som tillsats i föreningar.

Arbetsprincipen för högeffekt ultraljud

När sonicera vätskor vid höga intensiteter, ljud vågor som propagerar i flytande Media resultera i omväxlande högtrycks (kompression) och lågtrycks (förtunning) cykler, med priser beroende på frekvensen. Under lågtrycks cykeln skapar hög intensiva ultraljudsvågor små vakuum bubblor eller håligheter i vätskan. När bubblorna uppnår en volym där de inte längre kan absorbera energi, kollapsar de våldsamt under en högtrycks cykel. Detta fenomen kallas kavitation. Under implosionen mycket höga temperaturer (ca. 5, 000K) och pressar (ca. 2, 000atm) nås lokalt. Implosionen av kavitation bubblor resulterar också i vätske strålar på upp till 280 m/s hastighet. (Suslick 1998) Den ultraljud genererade kavitation orsakar kemiska och fysikaliska effekter, som kan tillämpas på processer.
Kavitation-inducerad sonochemistry ger en unik interaktion mellan energi och materia, med hot spots inne i bubblorna av ~ 5000 K, tryck på ~ 1000 bar, uppvärmning och kylning av >1010K s-1; dessa extraordinära förhållanden tillåter till gång till en rad kemiska reaktion utrymme normalt inte tillgänglig, vilket möjliggör syntes av en mängd olika ovanliga Nanostrukturerade material. (Bang 2010)