Екфоліація графену у воді
Ультразвукова екфоліація дозволяє отримувати багатошаровий графен без використання жорстких розчинників, застосовуючи лише чисту воду. Потужна ультразвукова обробка розшаровує листи графену за короткий час. Відмова від розчинників перетворює екфоліацію графену на екологічний, сталий процес.
Виробництво графену шляхом екфоліації у рідкій фазі
Графен комерційно виробляється шляхом так званої екфоліації у рідкій фазі. Екфоліація графену у рідкій фазі вимагає використання токсичних, шкідливих для довкілля та дорогих розчинників, які застосовуються як хімічна попередня обробка або в комбінації з технікою механічної дисперсії. Для механічної дисперсії листів графену ультразвукова обробка зарекомендувала себе як надзвичайно надійна, ефективна та безпечна техніка для виробництва високоякісних листів графену у великих кількостях на промисловому рівні. Оскільки використання жорстких розчинників завжди супроводжується витратами, забрудненням, складним видаленням та утилізацією, питаннями безпеки, а також навантаженням на довкілля, нетоксична та безпечніша альтернатива є значно вигіднішою. Тому екфоліація графену з використанням води як розчинника та потужного ультразвуку для механічного розшарування багатошарових листів графену є надзвичайно перспективною технікою для екологічного виробництва графену.
Поширені розчинники, які часто використовуються як рідка фаза для дисперсії нанолитів графену, включають диметилсульфоксид (DMSO), N,N-диметилформамід (DMF), N-метил-2-піролідон (NMP), тетраметилурею (TMU), тетрагідрофуран (THF), пропіленкарбонат-ацетон (PC), етанол та формамід.
Як техніка, що вже давно зарекомендувала себе для екфоліації графену в комерційних масштабах, ультразвукова обробка дозволяє виробляти високоякісний графен високої чистоти за низьку вартість. Оскільки ультразвукова екфоліація графену може бути повністю лінійно масштабована до будь-якого об’єму, виробничу потужність високоякісних пластівців графену можна легко впровадити для масового виробництва графену.
UIP2000hdT – це потужний 2kW ультразвуковий диспергатор для екфоліації та дисперсії графену.
Ультразвукова екфоліація графену у воді
Tyurnina et al. (2020) досліджували вплив амплітуди та інтенсивності ультразвукової обробки на розчини чистої води та графіту та отриману екфоліацію графену. У дослідженні вони використовували Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Ультразвукова екфоліація з використанням води застосовувалася як одностадійний процес для розшарування багатошарового графену. Короткої обробки тривалістю 2h було достатньо для отримання багатошарового графену в установці ультразвукової обробки у відкритій хемічній склянці.
Високошвидкісна послідовність (від a до f) кадрів, що ілюструють сономеханічну екфоліацію пластівця графіту у воді з використанням UP200s, 24 kHz ультразвукового апарату з 3-mm сонотродом. Стрілки показують місце розщеплення (екфоліації) з кавітаційними бульбашками, що проникають у розщеплення.
© Tyurnina et al., 2020
Оптимізація ультразвукової екфоліації графену
Ультразвукову установку, використану Tyurnina et al. (2020), можна легко оптимізувати для більшої ефективності та швидшої екфоліації, використовуючи закритий ультразвуковий реактор у проточному режимі. Ультразвукова обробка в лінії дозволяє значно рівномірніше обробляти всю сировину з графіту: подача розчину графіту / води безпосередньо в обмежений простір ультразвукової кавітації призводить до того, що весь графіт однорідно обробляється ультразвуком, що дає високий вихід високоякісних пластівців графену.
Системи Hielscher Ultrasonics дозволяють точно контролювати всі важливі параметри обробки, такі як амплітуда, час / час утримання, енерговитрати (Ws/mL), тиск та температура. Встановлення оптимальних ультразвукових параметрів призводить до найвищого виходу, якості та загальної ефективності.
Як ультразвукова обробка сприяє екфоліації графену
Коли хвилі потужного ультразвуку вводяться в суспензію порошку графіту та води або будь-якого розчинника, сономеханічні сили, такі як високий зсув, інтенсивна турбулентність та високі перепади тиску та температури, створюють енергонапружені умови. Ці енергонапружені умови є результатом явища акустичної кавітації.
Дізнайтеся більше про ультразвукову кавітацію тут!
Потужний ультразвук ініціює розширення порошку графіту, оскільки рідина протискається між шарами графену, з яких складається графіт. Ультразвукові зсувні сили розшаровують окремі листи графену та диспергують їх як пластівці графену в розчині. Для отримання довгострокової стабільності графену у воді необхідний поверхнево-активний речовина.
Механізм ультразвукової екфоліації графену у рідкій фазі.
Дослідження та зображення Tyurnina et al., 2021.
Високопродуктивні ультразвукові апарати для екфоліації графену
Розумні функції ультразвукових апаратів Hielscher розроблені для гарантування надійної роботи, відтворюваних результатів та зручності використання. Налаштування експлуатації можна легко отримати та відрегулювати через інтуїтивне меню, доступне через цифровий кольоровий сенсорний дисплей та дистанційне керування через браузер. Тому всі умови обробки, такі як чиста енергія, загальна енергія, амплітуда, час, тиск та температура, автоматично записуються на вбудовану SD-картку. Це дозволяє переглядати та порівнювати попередні сеанси ультразвукової обробки та оптимізувати процес екфоліації графену до найвищої ефективності.
Системи Hielscher Ultrasonics використовуються у всьому світі для виробництва високоякісних листів графену та оксидів графену. Промислові ультразвукові апарати Hielscher можуть легко працювати з високими амплітудами в безперервному режимі (24/7/365). Амплітуди до 200µm можна легко безперервно генерувати зі стандартними сонотродами (ультразвукові зонди / рупори та CascatrodesTM). Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Завдяки своїй надійності та низьким вимогам до обслуговування, наші системи ультразвукової екфоліації зазвичай встановлюються для важких умов експлуатації та у вимогливих середовищах.
Ультразвукові процесори Hielscher для екфоліації графену вже встановлені у всьому світі в комерційних масштабах. Зв’яжіться з нами зараз, щоб обговорити ваш процес виробництва графену! Наш досвідчений персонал буде радий надати більше інформації про процес екфоліації, ультразвукові системи та ціни!
Щоб дізнатися більше про ультразвуковий синтез, дисперсію та функціоналізацію графену, будь ласка, натисніть тут:
- Виробництво графену
- Нанопластинки графену
- Екфоліація графену у воді
- Графен, диспергований у воді
- Оксид графену
- Ксени
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 1 to 500mL | 10 to 200mL/min | UP100H |
| 10 to 2000mL | 20 to 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 to 20L | 0,2 to 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 to 100L | 2 to 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 to 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | більше | кластер UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, дисперсії, емульгації та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Література / Посилання
- 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.
Факти, які варто знати
Що таке графен?
Графен – це моношар sp2-зв’язаних атомів вуглецю. Графен пропонує унікальні матеріальні характеристики, такі як надзвичайно велика питома поверхня (2620 m2 g-1), чудові механічні властивості з модулем Юнга 1 TPa та внутрішньою міцністю 130 GPa, надзвичайно висока електронна провідність (рухливість електронів при кімнатній температурі 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), дуже висока теплопровідність (понад 3000 W m K-1), щоб назвати найважливіші властивості. Завдяки своїм чудовим матеріальним властивостям, графен широко використовується у розробці та виробництві високопродуктивних батарей, паливних елементів, сонячних батарей, суперконденсаторів, систем зберігання водню, електромагнітних екранів та електронних пристроїв. Крім того, графен включається у багато нанокомпозитів та композитних матеріалів як армуюча добавка, наприклад, у полімери, кераміку та металеві матриці. Завдяки своїй високій провідності, графен є важливим компонентом провідних фарб та чорнил.
Швидка та безпечна ультразвукова підготовка бездефектного графену у великих об’ємах за низьких витрат дозволяє розширювати застосування графену на все більше галузей промисловості.
Графен – це шар вуглецю товщиною в один атом, який можна описати як одношарову або 2D структуру графену (одношаровий графен = SLG). Графен має надзвичайно велику питому поверхню та чудові механічні властивості (модуль Юнга 1 TPa та внутрішня міцність 130 GPa), пропонує чудову електронну та теплову провідність, рухливість носіїв заряду, прозорість та є непроникним для газів. Завдяки цим матеріальним характеристикам, графен використовується як армуюча добавка для надання композитам міцності, провідності тощо. Щоб поєднати характеристики графену з іншими матеріалами, графен повинен бути диспергований у сполуці або наноситися як тонкоплівкове покриття на підкладку.
Високоефективний ультразвук! Асортимент продукції Hielscher охоплює повний спектр від компактних лабораторних ультразвукових апаратів через настільні установки до повністю промислових ультразвукових систем.