Termoelektrik Nano Tozların Ultrasonik Öğütülmesi

• Araştırmalar, ultrasonik öğütmenin termoelektrik nanoparçacıkların üretiminde başarıyla kullanılabileceğini ve parçacıkların yüzeylerini değiştirme potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir.
• Ultrasonik olarak öğütülen parçacıklar (ör. Bi₂Te₃ bazlı alaşım) önemli ölçüde boyut küçülmesi göstermiş ve 10µm’den küçük nanoparçacıklar elde edilmiştir.
• Ayrıca sonikasyon, parçacıkların yüzey morfolojisinde önemli değişiklikler oluşturur ve böylece mikro ve nano parçacıkların yüzeylerinin işlevselleştirilmesini sağlar.

Termoelektrik Nanoparçacıklar

Termoelektrik malzemeler, Seebeck ve Peltier etkilerine dayanarak ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Böylece, kullanılması güç olan veya neredeyse kaybolmuş ısıl enerjiyi etkin biçimde verimli uygulamalarda değerlendirmek mümkün olur. Termoelektrik malzemeler biyotermal piller, katı hâl termoelektrik soğutma, optoelektronik cihazlar, uzay ve otomotiv alanlarında güç üretimi gibi yeni uygulamalarda kullanılabildiğinden, araştırma dünyası ve endüstri çevre dostu, ekonomik ve yüksek sıcaklıklarda kararlı termoelektrik nanoparçacıklar üretmek için kolay ve hızlı teknikler aramaktadır. Ultrasonik öğütme ve aşağıdan yukarıya sentez (sono-kristalizasyon) termoelektrik nanomalzemelerin hızlı seri üretimi için umut vadeden iki yoldur.

Ultrasonik Öğütme Ekipmanı

Bizmut tellürür (Bi₂Te₃), magnezyum silisit (Mg₂Si) ve silisyum (Si) tozlarının parçacık boyutunu küçültmek için yüksek yoğunluklu ultrasonik sistem UIP1000hdT (1kW, 20kHz) açık bir beher düzeneğinde kullanılmıştır. Tüm denemelerde genlik 140µm olarak ayarlanmıştır. Numune kabı bir su banyosunda soğutulur ve sıcaklık bir termokupl ile kontrol edilir. Sonikasyon açık bir kapta yapıldığından, öğütme çözeltilerinin (ör. etanol, bütanol veya su) buharlaşmasını önlemek için soğutma uygulanmıştır.

(a) Deney düzeneğinin şematik gösterimi. (b) Ultrasonik öğütme cihazı. Kaynak: Marquez-Garcia ve ark. 2015.

Yalnızca 4h süren ultrasonik öğütmeyle Bi₂Te₃ alaşımından boyutları 150 ile 400 nm arasında olan önemli miktarda nanoparçacık bile elde edilmiştir. Boyutun nano aralığa küçülmesinin yanı sıra sonikasyon, yüzey morfolojisinde de bir değişikliğe yol açmıştır. Aşağıdaki şeklin b, c ve d bölümlerindeki SEM görüntüleri, parçacıkların ultrasonik öğütme öncesindeki keskin kenarlarının ultrasonik öğütme sonrasında pürüzsüz ve yuvarlak hâle geldiğini göstermektedir.

Bi2Te3 bazlı alaşımın ultrasonik öğütme öncesindeki ve sonrasındaki parçacık boyutu dağılımı ve SEM görüntüleri. a – Parçacık boyutu dağılımı; b – Ultrasonik öğütme öncesindeki SEM görüntüsü; c – 4 h ultrasonik öğütme sonrasındaki SEM görüntüsü; d – 8 h ultrasonik öğütme sonrasındaki SEM görüntüsü.
Kaynak: Marquez-Garcia ve ark. 2015.

Parçacık boyutunun küçültülmesinin ve yüzey modifikasyonunun yalnızca ultrasonik öğütmeyle elde edilip edilmediğini belirlemek için yüksek enerjili bir bilyalı değirmen kullanılarak benzer deneyler yapılmıştır. Sonuçlar Şekil 3’te gösterilmektedir. 48 h bilyalı öğütmeyle (ultrasonik öğütmeden 12 kat daha uzun sürede) 200–800 nm boyutunda parçacıkların üretildiği açıkça görülmektedir. SEM görüntüleri, Bi₂Te₃ alaşımı parçacıklarının keskin kenarlarının öğütme sonrasında esasen değişmeden kaldığını göstermektedir. Bu sonuçlar, pürüzsüz kenarların ultrasonik öğütmeye özgü özellikler olduğunu göstermektedir. Ultrasonik öğütmenin sağladığı zaman tasarrufu da dikkat çekicidir (4 h ultrasonik öğütmeye karşılık 48 h bilyalı öğütme).

Mg2Si’nin ultrasonik öğütme öncesindeki ve sonrasındaki parçacık boyutu dağılımı ve SEM görüntüleri. (a) Parçacık boyutu dağılımı; (b) Ultrasonik öğütme öncesindeki SEM görüntüsü; (c) %50 PVP–%50 EtOH içinde 2 h ultrasonik öğütme sonrasındaki SEM görüntüsü.
Kaynak: Marquez-Garcia ve ark. 2015.

Marquez-Garcia ve ark. (2015), ultrasonik öğütmenin Bi₂Te₃ ve Mg₂Si tozlarını boyutları 40 ile 400 nm arasında değişen daha küçük parçacıklara parçalayabildiği sonucuna varmıştır; bu da nanoparçacıkların endüstriyel üretimi için potansiyel bir tekniğe işaret etmektedir. Yüksek enerjili bilyalı öğütmeyle karşılaştırıldığında, ultrasonik öğütmenin iki özgün özelliği vardır:

1. 1. başlangıçtaki parçacıkları ultrasonik öğütmeyle üretilenlerden ayıran bir parçacık boyutu boşluğunun ortaya çıkması; ve
2. 2. ultrasonik öğütme sonrasında yüzey morfolojisinde belirgin değişikliklerin görülmesi; bu durum parçacıkların yüzeylerini değiştirme olanağına işaret eder.

Sonuç

Daha sert parçacıkların ultrasonik öğütülmesi, yoğun kavitasyon oluşturmak için basınç altında sonikasyon gerektirir. Yüksek basınç altında sonikasyon (manosonikasyon olarak adlandırılır), kesme kuvvetlerini ve parçacıklar üzerindeki gerilmeyi büyük ölçüde artırır.
Sürekli bir hat içi sonikasyon düzeneği, daha yüksek parçacık yüküne (macun benzeri bulamaç) olanak tanır; ultrasonik öğütme parçacıklar arası çarpışmaya dayandığından bu durum öğütme sonuçlarını iyileştirir.
Ayrı bir resirkülasyon düzeneğinde sonikasyon, tüm parçacıkların homojen biçimde işlenmesini ve dolayısıyla çok dar bir parçacık boyutu dağılımını sağlamaya olanak tanır.

Ultrasonik öğütmenin önemli bir avantajı, teknolojinin büyük miktarlarda üretim için kolayca ölçek büyütmeye uygun olmasıdır – ticari olarak temin edilebilen güçlü endüstriyel ultrasonik öğütme sistemleri, 10m³/h’ye kadar miktarları işleyebilir.

Ultrasonik Öğütmenin Avantajları

• Hızlı, zaman tasarrufu sağlayan
• Enerji tasarrufu sağlayan
• Tekrarlanabilir sonuçlar
• Öğütme ortamı gerektirmez (boncuk veya kürecik kullanılmaz)
• Düşük yatırım maliyeti

Yüksek Performanslı Sonikatörler

Ultrasonik öğütme, yüksek güçlü ultrasonik ekipman gerektirir. Yoğun kavitasyon kaynaklı kesme kuvvetleri oluşturmak için yüksek genlikler ve basınç kritik öneme sahiptir. Hielscher Ultrasonics endüstriyel ultrasonik işlemcileri çok yüksek genlikler sağlayabilir. 200µm’ye kadar genliklerde 24/7 kesintisiz çalışma kolayca sürdürülebilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur. Hielscher basınçlandırılabilir akış reaktörleriyle birlikte kullanıldığında, moleküller arası bağların aşılmasını ve verimli öğütme etkilerinin elde edilmesini sağlayan çok yoğun kavitasyon oluşturulur.
Hielscher ultrasonik ekipmanlarının sağlamlığı, ağır çalışma koşullarında ve zorlu ortamlarda 24/7 çalışmaya olanak tanır. Dijital kontrol ve uzaktan kontrolün yanı sıra yerleşik bir SD karta otomatik veri kaydı, hassas işlemeyi ve tekrarlanabilir kaliteyi sağlar ve proses standardizasyonuna olanak tanır.

Hielscher Yüksek Performanslı Sonikatörlerinin Avantajları

• çok yüksek genlikler
• yüksek basınçlar
• sürekli hat içi proses
• sağlam ekipman
• doğrusal ölçek büyütme
• güvenli ve kolay kullanım
• kolay temizleme