Su Bazlı Grafen Eksfoliasyonu
Ultrasonik eksfoliasyon, agresif çözücüler kullanılmadan yalnızca saf su ile az katmanlı grafen üretilmesine olanak tanır. Yüksek güçlü sonikasyon, kısa bir işlem süresi içinde grafen tabakalarını birbirinden ayırır. Çözücü kullanımından kaçınılması, grafen eksfoliasyonunu çevreci ve sürdürülebilir bir sürece dönüştürür.
Sıvı Faz Eksfoliasyonu ile Grafen Üretimi
Grafen, sıvı faz eksfoliasyonu olarak adlandırılan yöntemle ticari olarak üretilir. Grafenin sıvı faz eksfoliasyonu, kimyasal ön işlem olarak veya mekanik bir dispersiyon tekniğiyle birlikte kullanılan toksik, çevreye zararlı ve pahalı çözücülerin kullanımını gerektirir. Grafen tabakalarının mekanik dispersiyonu için ultrasonikasyon, tamamen endüstriyel düzeyde büyük miktarlarda yüksek kaliteli grafen tabakaları üretmeye yönelik son derece güvenilir, verimli ve güvenli bir teknik olarak yerleşmiştir. Agresif çözücülerin kullanımı her zaman maliyetler, kontaminasyon, karmaşık uzaklaştırma ve bertaraf işlemleri, güvenlik kaygıları ve çevresel yük getirdiğinden, toksik olmayan ve daha güvenli bir alternatif önemli avantajlar sunar. Bu nedenle, çözücü olarak suyun ve az katmanlı grafen tabakalarının mekanik olarak birbirinden ayrılması için yüksek güçlü ultrasonun kullanıldığı grafen eksfoliasyonu, çevreci grafen üretimi için son derece umut verici bir tekniktir.
Grafen nanotabakalarını disperse etmek için sıvı faz olarak sıklıkla kullanılan yaygın çözücüler arasında dimetil sülfoksit (DMSO), N,N-dimetilformamid (DMF), N-metil-2-pirolidon (NMP), tetrametilüre (TMU), tetrahidrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), etanol ve formamid bulunur.
Ticari ölçekte grafen eksfoliasyonu için uzun süredir yerleşmiş bir teknik olan ultrasonikasyon, düşük maliyetle yüksek saflıkta ve yüksek kaliteli grafen üretilmesine olanak tanır. Ultrasonik grafen eksfoliasyonu herhangi bir hacme tamamen doğrusal olarak ölçeklenebildiğinden, yüksek kaliteli grafen pullarının üretim verimi, grafenin seri üretiminde kolaylıkla elde edilebilir.
2kW gücündeki ultrasonik disperser UIP2000hdT, grafen eksfoliasyonu ve dispersiyonu içindir.
Suda Grafenin Ultrasonik Eksfoliasyonu
Tyurnina et al. (2020), genlik ve sonikasyon yoğunluğunun saf su–grafit çözeltileri ve bunun sonucunda gerçekleşen grafen eksfoliasyonu üzerindeki etkilerini araştırmıştır. Çalışmada bir Hielscher UP200S (200W, 24kHz) kullanmışlardır. Su kullanılarak yapılan ultrasonik eksfoliasyon, az katmanlı grafenin katmanlarını birbirinden ayırmak için tek aşamalı bir süreç olarak uygulanmıştır. Açık beherli bir sonikasyon düzeneğinde az katmanlı grafen üretmek için 2h süren kısa bir işlem yeterli olmuştur.
Sudaki bir grafit pulunun sono-mekanik eksfoliasyonunu 3-mm sonotrotlu 24 kHz sonikatör UP200s ile gösteren yüksek hızlı (a’dan f’ye) kare dizisi. Oklar, yarığa nüfuz eden kavitasyon kabarcıklarıyla birlikte ayrılma (eksfoliasyon) bölgesini göstermektedir.
© Tyurnina et al., 2020
Ultrasonik Grafen Eksfoliasyonunun Optimizasyonu
Tyurnina et al. (2020) tarafından kullanılan ultrasonik düzenek, içinden akış modunda çalışan kapalı bir ultrasonik reaktör kullanılarak daha yüksek verimlilik ve daha hızlı eksfoliasyon için kolayca optimize edilebilir. Hat içi ultrasonik işlem, grafit ham maddesinin tamamının çok daha homojen bir ultrasonik işleme tabi tutulmasını sağlar: grafit / su çözeltisinin doğrudan ultrasonik kavitasyonun sınırlı alanına beslenmesiyle grafitin tamamı homojen biçimde sonikasyona tabi tutulur ve yüksek kaliteli grafen pulları yüksek verimle elde edilir.
Hielscher Ultrasonics sistemleri; genlik, süre / kalış süresi, enerji girdisi (Ws/mL), basınç ve sıcaklık gibi tüm önemli işlem parametrelerinin hassas biçimde kontrol edilmesine olanak tanır. Optimum ultrasonik parametrelerin ayarlanması, en yüksek verim, kalite ve genel verimlilikle sonuçlanır.
Ultrasonikasyon Grafen Eksfoliasyonunu Nasıl Destekler?
Yüksek güçlü ultrason dalgaları, grafit tozu ile su veya herhangi bir çözücüden oluşan bir bulamaca aktarıldığında, yüksek kesme, yoğun türbülanslar ve yüksek basınç ve sıcaklık farkları gibi sono-mekanik kuvvetler, enerji bakımından yoğun koşullar oluşturur. Enerji bakımından yoğun bu koşullar, akustik kavitasyon olgusunun sonucudur.
Ultrasonik kavitasyon hakkında daha fazla bilgiyi burada bulabilirsiniz!
Akışkanlar, grafiti oluşturan grafen katmanlarının arasına basınçla itildiğinden, yüksek güçlü ultrason grafit tozunun genleşmesini başlatır. Ultrasonik kesme kuvvetleri, tek tek grafen tabakalarını birbirinden ayırır ve bunları çözeltide grafen pulları olarak disperse eder. Grafenin suda uzun süreli kararlılığını sağlamak için bir yüzey aktif madde gereklidir.
Grafenin ultrasonik sıvı faz eksfoliasyonunun mekanizması.
Çalışma ve görsel: Tyurnina et al., 2021.
Grafen Eksfoliasyonu için Yüksek Performanslı Sonikatörler
Hielscher sonikatörlerinin akıllı özellikleri, güvenilir çalışmayı, tekrarlanabilir sonuçları ve kullanıcı dostu kullanımı garanti etmek üzere tasarlanmıştır. Dijital renkli dokunmatik ekran ve tarayıcı üzerinden uzaktan kontrol aracılığıyla erişilebilen sezgisel menüden çalışma ayarlarına kolayca erişilebilir ve bu ayarlar yapılabilir. Böylece net enerji, toplam enerji, genlik, süre, basınç ve sıcaklık gibi tüm işlem koşulları, yerleşik bir SD karta otomatik olarak kaydedilir. Bu, önceki sonikasyon çalışmalarını gözden geçirip karşılaştırmanıza ve grafen eksfoliasyonu sürecini en yüksek verimliliğe ulaşacak şekilde optimize etmenize olanak tanır.
Hielscher Ultrasonics sistemleri, yüksek kaliteli grafen tabakaları ve grafen oksitlerin üretimi için dünya çapında kullanılmaktadır. Hielscher endüstriyel sonikatörleri, sürekli çalışmada (24/7/365) yüksek genliklerde kolaylıkla çalışabilir. 200µm’ye kadar genlikler, standart sonotrotlarla (ultrasonik problar / hornlar ve CascatrodesTM) kolaylıkla sürekli olarak üretilebilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur. Sağlamlıkları ve düşük bakım gereksinimleri sayesinde ultrasonik eksfoliasyon sistemlerimiz, ağır hizmet uygulamalarında ve zorlu ortamlarda yaygın olarak kurulmaktadır.
Grafen eksfoliasyonuna yönelik Hielscher ultrasonik işlemcileri, dünya çapında ticari ölçekte hâlihazırda kurulmuştur. Grafen üretim sürecinizi görüşmek için hemen bizimle iletişime geçin! Deneyimli personelimiz, eksfoliasyon süreci, ultrasonik sistemler ve fiyatlandırma hakkında daha fazla bilgi paylaşmaktan memnuniyet duyacaktır!
Ultrasonik grafen sentezi, dispersiyonu ve fonksiyonelleştirilmesi hakkında daha fazla bilgi edinmek için lütfen buraya tıklayın:
- Grafen Üretimi
- Grafen Nanoplateletleri
- Su Bazlı Grafen Eksfoliasyonu
- Suda Disperse Edilebilir Grafen
- Grafen Oksit
- Xenes
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha yüksek | şu cihazlardan oluşan bir küme: UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sorun!
Hielscher Ultrasonics; laboratuvar, pilot ve endüstriyel ölçekte karıştırma uygulamaları, dispersiyon, emülsifikasyon ve ekstraksiyon için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretir.
Literatür / Kaynaklar
- 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.
Bilinmesi Gerekenler
Grafen Nedir?
Grafen, sp2 bağlarıyla bağlanmış karbon atomlarından oluşan tek bir katmandır. Grafen, olağanüstü geniş özgül yüzey alanı (2620 m2 g-1), 1 TPa Young modülü ve 130 GPa içsel dayanımı ile üstün mekanik özellikler, son derece yüksek elektronik iletkenlik (oda sıcaklığında 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1 elektron hareketliliği), çok yüksek ısıl iletkenlik (3000 W m K-1 üzeri) gibi benzersiz malzeme özellikleri sunar; bunlar en önemli özelliklerinden bazılarıdır. Üstün malzeme özellikleri sayesinde grafen; yüksek performanslı bataryalar, yakıt hücreleri, güneş hücreleri, süperkapasitörler, hidrojen depolama sistemleri, elektromanyetik kalkanlar ve elektronik cihazların geliştirilmesi ve üretiminde yoğun biçimde kullanılır. Ayrıca grafen, örneğin polimerlerde, seramiklerde ve metal matrislerde olmak üzere birçok nanokompozite ve kompozit malzemeye güçlendirici katkı maddesi olarak katılır. Yüksek iletkenliği sayesinde grafen, iletken boya ve mürekkeplerin önemli bir bileşenidir.
Kusursuz grafenin büyük hacimlerde ve düşük maliyetlerle hızlı ve güvenli biçimde ultrasonik olarak hazırlanması, grafen uygulamalarının giderek daha fazla sektöre yayılmasına olanak tanır.
Grafen, tek katmanlı veya 2D bir grafen yapısı olarak tanımlanabilen, bir atom kalınlığında bir karbon katmanıdır (tek katmanlı grafen = SLG). Grafen, olağanüstü geniş bir özgül yüzey alanına ve üstün mekanik özelliklere (1 TPa Young modülü ve 130 GPa içsel dayanım) sahiptir; yüksek elektronik ve ısıl iletkenlik, yük taşıyıcı hareketliliği ve şeffaflık sunar ve gazlara karşı geçirimsizdir. Bu malzeme özellikleri nedeniyle grafen, kompozitlere dayanımını, iletkenliğini vb. kazandırmak için güçlendirici katkı maddesi olarak kullanılır. Grafenin özelliklerini diğer malzemelerle birleştirmek için grafen, bileşiğin içinde disperse edilmeli veya bir alt tabaka üzerine ince film kaplama olarak uygulanmalıdır.
Yüksek performanslı ultrasonik teknoloji! Hielscher ürün yelpazesi, kompakt laboratuvar sonikatöründen tezgâh üstü ünitelere ve tamamen endüstriyel ultrasonik sistemlere kadar tüm ürün çeşitlerini kapsar.