Vattenbaserad grafen exfoliering
Ultraljudsexfoliering gör det möjligt att producera grafen i några lager utan användning av starka lösningsmedel med enbart rent vatten. Ultraljudsbehandling med hög effekt delaminerar grafenark inom en kort behandling. Undvikandet av lösningsmedel gör grafenexfoliering till en grön, hållbar process.
Grafenproduktion via exfoliering i flytande fas
Grafen tillverkas kommersiellt via så kallad liquid phase exfoliation. Vätskefasexfoliering av grafen kräver användning av giftiga, miljöskadliga och dyra lösningsmedel, som används som kemisk förbehandling eller i kombination med/med en mekanisk dispersionsteknik. För mekanisk dispersion av grafenark har ultraljud etablerats som en mycket tillförlitlig, effektiv och säker teknik för att producera högkvalitativa grafenark i stora mängder på fullt industriell nivå. Eftersom användningen av starka lösningsmedel alltid är förknippad med kostnader, kontaminering, komplex borttagning och bortskaffande, säkerhetsproblem samt miljöbelastning, är ett giftfritt och säkrare alternativ betydligt fördelaktigt. Grafenexfoliering med hjälp av vatten som lösningsmedel och ultraljud för mekanisk delaminering av fåskiktsgrafenark är därför en mycket lovande teknik för tillverkning av grön grafen.
Vanliga lösningsmedel, som ofta används som vätskefas för att dispergera grafennanoark, inkluderar dimetylsulfoxid (DMSO), N,N-dimetylformamid (DMF), N-metyl-2-pyrrolidon (NMP), tetrametylurea (TMU), tetrahydrofuran (THF), propylenkarbonataceton (PC), etanol och formamid.
Som en redan långsiktig etablerad teknik för grafenexfoliering i kommersiell skala, gör ultraljud det möjligt att producera högkvalitativ grafen med hög renhet till låg kostnad. Eftersom ultraljudsexfoliering av grafen kan skalas helt linjärt till vilken volym som helst, kan produktionsutbytet av högkvalitativa grafenflingor enkelt implementeras för massproduktion av grafen.
UIP2000hdT är en 2kW kraftfull ultraljudsdispergare för grafenexfoliering och dispersion.
Ultraljud exfoliering av grafen i vatten
Tyurnina et al. (2020) undersökte effekterna av amplitud och ultraljudsintensitet på rena vatten-grafitlösningar och den resulterande grafenexfolieringen. I studien använde de en Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultraljudsexfoliering med vatten applicerades som en enstegsprocess för delaminering av grafen i några lager. En kort behandling på 2 timmar var tillräcklig för att producera några lager grafen i en öppen bägare ultraljudsbehandling.
En höghastighetssekvens (från a till f) av ramar som illustrerar sono-mekanisk exfoliering av en grafitflaga i vatten med hjälp av UP200s, en 24 kHz ultraljudsapparat med 3 mm sonotrode. Pilar visar platsen för delning (exfoliering) med kavitationsbubblor som tränger in i delningen.
© Tyurnina et al., 2020
Optimering av ultraljudsgrafenexfoliering
Ultraljudsuppställningen som används av Tyurnina et al. (2020) kan enkelt optimeras för mer effektivitet och snabbare exfoliering genom att använda en sluten ultraljudsreaktor i genomströmningsläge. Ultraljud inline-behandling möjliggör en betydligt mer enhetlig ultraljudsbehandling av allt grafitråmaterial: matning av grafit / vattenlösning direkt i det trånga utrymmet för ultraljudskavitation, all grafit blir enhetligt sonikerad vilket resulterar i ett högt utbyte av högkvalitativa grafenflingor.
Hielscher Ultrasonics-system möjliggör exakt kontroll över alla viktiga bearbetningsparametrar som amplitud, tid / retention, energitillförsel (Ws / ml), tryck och temperatur. Att ställa in de optimala ultraljudsparametrarna resulterar i högsta avkastning, kvalitet och total effektivitet.
Hur främjar ultraljud grafen exfoliering
När ultraljudsvågor med hög effekt kopplas ihop till en uppslamning av grafitpulver och vatten eller något lösningsmedel, skapar sonomekaniska krafter som hög skjuvning, intensiv turbulens och höga tryck- och temperaturskillnader energiintensiva förhållanden. Dessa energiintensiva förhållanden är resultatet av fenomenet akustisk kavitation.
Läs mer om ultraljudskavitation här!
Kraftultraljudet initierar expansionen av grafitpulvret, eftersom vätskor pressas mellan grafenskikten, som grafit består av. Ultraljudsskjuvkrafterna delaminerar de enskilda grafenarken och sprider dem som grafenflingor i lösningen. För att få långsiktig stabilitet av grafen i vatten krävs ett ytaktivt ämne.
Mechnism av ultraljud vätskefas exfoliering av grafen exfoliering.
Studie och bild av Tyurnina et al., 2021.
Högpresterande ultraljudsapparater för grafen exfoliering
De smarta funktionerna i Hielscher ultraljudsapparater är utformade för att garantera tillförlitlig drift, reproducerbara resultat och användarvänlighet. Driftinställningar kan enkelt nås och ställas in via en intuitiv meny, som kan nås via en digital färgpekskärm och webbläsarens fjärrkontroll. Därför registreras alla bearbetningsförhållanden som nettoenergi, total energi, amplitud, tid, tryck och temperatur automatiskt på ett inbyggt SD-kort. Detta gör att du kan revidera och jämföra tidigare ultraljudsbehandling körningar och optimera grafen exfolieringsprocessen till högsta effektivitet.
Hielscher Ultrasonics-system används över hela världen för tillverkning av högkvalitativa grafenark och grafenoxider. Hielscher industriella ultraljudsapparater kan enkelt köra höga amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt genereras kontinuerligt med vanliga sonotroder (ultraljudssonder / horn och kaskadriderTM). För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. På grund av deras robusthet och låga underhåll installeras våra ultraljudsexfolieringssystem vanligtvis för tunga applikationer och i krävande miljöer.
Hielscher ultraljudsprocessorer för grafenexfoliering är redan installerade över hela världen i kommersiell skala. Kontakta oss nu för att diskutera din tillverkningsprocess för grafen! Vår erfarna personal delar gärna med sig av mer information om exfolieringsprocessen, ultraljudssystem och priser!
För att lära dig mer om ultraljudsgrafensyntes, dispersion och funktionalisering, klicka här:
- Produktion av grafen
- Nanoplättar av grafen
- Vattenbaserad grafen exfoliering
- Vattendispergerbar grafen
- grafenoxid
- xener xener
| Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
|---|---|---|
| 1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
| 10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
| N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandningsapplikationer, dispersion, emulgering och extraktion i labb-, pilot- och industriell skala.
Litteratur / Referenser
- 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.
Fakta som är värda att veta
Vad är grafen?
Grafen är ett monolager av sp2-bundna kolatomer. Grafen erbjuder unika materialegenskaper som en extraordinärt stor specifik yta (2620 m2g-1), överlägsna mekaniska egenskaper med en Youngs modul på 1 TPa och en inneboende styrka på 130 GPa, en extremt hög elektronisk ledningsförmåga (elektronrörlighet vid rumstemperatur på 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), mycket hög värmeledningsförmåga (över 3000 W m K-1), för att nämna de viktigaste egenskaperna. På grund av dess överlägsna materialegenskaper används grafen i stor utsträckning vid utveckling och produktion av högpresterande batterier, bränsleceller, solceller, superkondensator, vätgaslager, elektromagnetiska sköldar och elektroniska enheter. Dessutom ingår grafen i många nanokompositer och kompositmaterial som förstärkande tillsatser, t.ex. i polymerer, keramer och metallmatriser. På grund av sin höga konduktivitet är grafen en viktig komponent i ledande färger och bläck.
Den snabba och säkra ultraljudsframställningen av defektfri grafen i stora volymer till låga kostnader gör det möjligt att bredda tillämpningarna av grafen till fler och fler industrier.
Grafen är ett en atom tjockt lager av kol, som kan beskrivas som en enskikts- eller 2D-struktur av grafen (enkelskiktsgrafen = SLG). Grafen har en utomordentligt stor specifik yta och överlägsna mekaniska egenskaper (Youngs modul på 1 TPa och inneboende styrka på 130 GPa), erbjuder stor elektronisk och termisk ledningsförmåga, laddningsbärarrörlighet, transparens och är ogenomtränglig för gaser. På grund av dessa materialegenskaper används grafen som förstärkande tillsats för att ge kompositer dess styrka, ledningsförmåga etc. För att kunna kombinera grafenets egenskaper med andra material måste grafen dispergeras i föreningen eller appliceras som en tunnfilmsbeläggning på ett substrat.
Högpresterande ultraljud! Hielschers produktsortiment täcker hela spektrumet från den kompakta laboratorieultraljudsapparaten över bänkenheter till fullindustriella ultraljudssystem.