Vattenbaserad grafenexfoliering
Ultraljud exfoliering gör det möjligt att producera få lager grafen utan användning av hårda lösningsmedel med rent vatten endast. Hög effekt ultraljudsbehandling delaminerar grafen ark inom en kort behandling. Undvikandet av lösningsmedel förvandlar grafenexfoliering i en grön, hållbar process.
Grafenproduktion via likvida fas exfoliering
Grafen tillverkas kommersiellt via så kallad vätskefasexfoliering. Exfoliering av grafen i vätskefasen kräver användning av giftiga, miljöskadliga och dyra lösningsmedel, som används som kemisk förbehandling eller i kombination med/med en mekanisk dispersionsteknik. För mekanisk spridning av grafen ark, ultraljud har fastställts som mycket tillförlitlig, effektiv och säker teknik för att producera högkvalitativa grafen ark i stora mängder på helt industriell nivå. Eftersom användningen av hårda lösningsmedel alltid åtföljs av kostnader, kontaminering, komplext avlägsnande och bortskaffande, säkerhetsproblem samt miljöbelastning, är ett giftfritt och säkrare alternativ betydligt fördelaktigt. Grafen exfoliering med vatten som lösningsmedel och kraft ultraljud för mekanisk delamination av få lager grafen ark är därför en mycket lovande teknik för en grön grafen tillverkning.
Vanliga lösningsmedel, som ofta används som vätskefas för att sprida grafennanoblad, inkluderar Dimetylsulfoxid (DMSO), N,N-dimetylformamid (DMF), N-metyl-2-pyrrolidon (NMP), Tetramethylurea (TMU), Tetrahydrofuran (THF), propylengarataceton (PC), etanol och formamid.
Som en redan långsiktig etablerad teknik för grafen exfoliering i kommersiell skala, ultraljud gör det möjligt att producera högkvalitativ grafen av hög renhet till låg kostnad. Eftersom ultraljud grafen exfoliering kan vara helt linjär skalas till vilken volym som helst, kan produktionsutbytet av högkvalitativa grafenflingor enkelt implementeras för massproduktion av grafen.
De UIP2000hdT är en 2kW kraftfull ultraljud disperser för grafen exfoliering och dispersion.
Ultraljud exfoliering av grafen i vatten
Tyurnina et al. (2020) undersökte effekterna av amplitud och ultraljudsbehandling intensitet på rena vatten-grafit lösningar och den resulterande grafen exfoliering. I studien använde de en Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ultraljud exfoliering med vatten tillämpades som en enda steg process för få lager grafen delamination. En kort behandling av 2h var tillräcklig för att producera få-lager grafen i en öppen bägare ultraljudsbehandling setup.
En höghastighetssekvens (från a till f) av ramar som illustrerar sonomekanisk exfoliering av en grafitflingor i vatten med HJÄLP av UP200s, en 24 kHz ultrasonicator med 3 mm sonotrode. Pilar visar platsen för delning (exfoliering) med kavitationsbubblor som tränger in i delningen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Optimering av ultraljud grafen exfoliering
Ultraljud setup används av Tyurnina et al. (2020) kan enkelt optimeras för mer effektivitet och snabbare exfoliering genom att använda en sluten ultraljud reaktor i genomflödesläge. Ultraljud inline behandling möjliggör en betydligt mer enhetlig ultraljud behandling av alla grafit råmaterial: utfodring grafit / vattenlösning direkt i det trånga utrymmet för ultraljud kavitation, blir all grafit jämnt sonikerad vilket resulterar i ett högt utbyte av högkvalitativa grafen flingor.
Hielscher Ultrasonics system möjliggör exakt kontroll över alla viktiga bearbetningsparametrar som amplitud, tid / retention, energiinmatning (Ws / mL), tryck och temperatur. Att ställa in de optimala ultraljudsparametrarna resulterar i högsta utbyte, kvalitet och övergripande effektivitet.
Hur främjar ultraljud grafen exfoliering
När ultraljudsvågor med hög effekt kopplas till en slurry av grafitpulver och vatten eller något lösningsmedel, skapar sonomekaniska krafter som högsjuvning, intensiv turbulens och högtrycks- och temperaturskillnader energiintensiva förhållanden. Dessa energiintensiva förhållanden är resultatet av fenomenet akustisk kavitation. Läs mer om ultraljud kavitation här!
Kraft ultraljud initierar expanderar grafit pulver, eftersom vätskor pressas mellan grafen lager, varav grafit består. Ultraljudssjuvning krafter delaminera de enda arken av grafen och sprida dem som grafen flingor i lösningen. För att uppnå långsiktig stabilitet av grafen i vatten krävs ett tensid.
Mechnism av ultraljud flytande fas exfoliering av grafen exfoliering.
Studie och bild av Tyurnina et al., 2021.
Högpresterande ultrasonicators för grafen exfoliering
De smarta funktionerna hos Hielscher ultrasonicators är utformade för att garantera tillförlitlig drift, reproducerbara resultat och användarvänlighet. Driftsinställningar kan enkelt nås och ringas upp via intuitiv meny, som kan nås via digital färgpekskärm och webbläsarfjärrkontroll. Därför registreras alla bearbetningsförhållanden som nettoenergi, total energi, amplitud, tid, tryck och temperatur automatiskt på ett inbyggt SD-kort. På så sätt kan du ändra och jämföra tidigare ultraljudsbehandlings körningar och optimera grafen exfolieringsprocessen till högsta effektivitet.
Hielscher Ultrasonics system används över hela världen för tillverkning av högkvalitativa grafen ark och grafenoxider. Hielscher industriella ultrasonicators kan enkelt köra höga amplituder i kontinuerlig drift (24/7/365). Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt kontinuerligt genereras med vanliga sonotroder (ultraljudssonder / horn och AuktorTm). För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljud sonotrodes tillgängliga. På grund av deras robusthet och låga underhåll installeras våra ultraljud exfolieringssystem ofta för tunga applikationer och i krävande miljöer.
Hielscher ultraljud processorer för grafen exfoliering är redan installerade över hela världen på kommersiell skala. Kontakta oss nu för att diskutera din grafentillverkningsprocess! Vår väl erfarna personal delar gärna med sig av mer information om exfolieringsprocessen, ultraljudssystem och prissättning!
Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera:
| batch Volym | Flödeshastighet | Rekommenderade Devices |
|---|---|---|
| 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 oss!
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandning av applikationer, spridning, emulgering och utvinning på labb, pilot och industriell skala.
Litteratur / Referenser
- 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 Värt att veta
grafen
Grafen är en enskiktslager av SP2-bundna kol atomer. Graphene erbjuder unika material egenskaper såsom en extraordinär stor specifik yta (2620 m2G-1), överlägsna mekaniska egenskaper med en Young ' s modulus av 1 TPa och en inneboende styrka av 130 GPa, en extremt hög elektronisk konduktivitet (rums temperatur elektron rörlighet på 2,5 × 105 cm2 V-1S-1), mycket hög värmeledningsförmåga (över 3000 W m K-1) för att namnge de viktigaste egenskaperna. På grund av dess överlägsna material egenskaper används grafen i hög grad vid utveckling och produktion av högpresterande batterier, bränsle celler, sol celler, superkondensator, vätelagringar, elektro magnetiska sköldar och elektroniska apparater. Dessutom är grafen inkorporerad i många nanokompositer och komposit material som förstärknings additiv, t ex i polymerer, keramik och metallmatriser. På grund av dess höga konduktivitet är grafen en viktig komponent i ledande färger och tryck färger.
Den snabba och säkra ultraljud beredning av defekt-fri grafen vid stora volymer till låga kostnader möjliggör en breddning av Grafenet till fler och fler branscher.
Grafen är ett ett-Atom-tjockt lager av kol, som kan beskrivas som en Single-Layer eller 2D struktur av grafen (Single Layer grafen = SLG). Grafen har en utomordentligt stor specifik yta och överlägsna mekaniska egenskaper (Young ' s modulus av 1 TPa och inneboende styrka 130 GPa), erbjuder stor elektronisk och termisk konduktivitet, laddnings bärare rörlighet, transparens, och är ogenomtränglig för gaser. På grund av dessa material egenskaper, grafen används som förstärkande tillsats för att ge kompositer dess styrka, konduktivitet, etc. För att kombinera egenskaperna hos grafen med andra material, måste grafen spridas in i föreningen eller appliceras som en tunn Films beläggning på ett substrat.
Ultraljud med hög prestanda! Hielschers produktsortiment täcker hela spektrumet från den kompakta lab ultrasonicator över bänk-top enheter till full-industriella ultraljud system.