Графеновий відлущування на водній основі
Ультразвукове відлущування дозволяє виробляти малошаровий графен без використання жорстких розчинників, використовуючи тільки чисту воду. Високоенергійна ультразвукова обробка деламінує графенові листи в рамках короткої обробки. Уникнення розчинників перетворює графеновий відлущування в зелений, стійкий процес.
Виробництво графена шляхом відлущування рідкої фази
Графен комерційно виготовляється за допомогою так званого рідкого фази відлущування. Рідке фазне відлущування графена вимагає використання токсичних, екологічно шкідливих і дорогих розчинників, які використовуються в якості хімічної попередньої обробки або в поєднанні з технікою механічної дисперсії. Для механічної дисперсії графенових листів ультразвукове дослідження було встановлено як високонадійна, ефективна та безпечна техніка для виробництва високоякісних графенових листів у великих кількостях на повністю промисловому рівні. Оскільки використання жорстких розчинників завжди супроводжується витратами, забрудненням, комплексним видаленням і утилізацією, проблемами безпеки, а також екологічним навантаженням, нетоксичні і безпечні альтернативи значно вигідні. Графеновий відлущування з використанням води як розчинника та ультразвуку для механічного розшарування декількох шарових графенових листів, таким чином, є дуже перспективною технікою для виробництва зеленого графена.
Загальні розчинники, які часто використовуються як рідка фаза для диспергування графенових наносупутників, включають Диметилсульфоксид (ДМСО), N,N-диметилформамід (ДМФ), N-метил-2-пірролідон (НМП), Тетраметилуреа (ТМУ), Тетрагідрофуран (ТГФ), пропілен-карбонатетон (ПК), етанол
Як вже давно встановлена методика відлущування графена в комерційних масштабах, ультразвук дозволяє виробляти високоякісний графен високої чистоти при низькій вартості. Оскільки ультразвукове відлущування графена може бути повністю лінійно масштабане до будь-якого об'єму, вихід високоякісних графенових пластівців може бути легко реалізований для масового виробництва графена.
UIP2000hdT - це потужний ультразвуковий розсіювач потужністю 2 кВт для відлущування і дисперсії графена.
Ультразвукове відлущування графена у воді
Tyurnina et al. (2020) досліджували вплив амплітуди та інтенсивності ультразвукової обробки на чисті водно-графітові розчини та отримане відшарування графена. У дослідженні вони використовували Hielscher UP200S (200 Вт, 24 кГц). Ультразвукове відлущування з використанням води було застосовано як одноетапний процес для деламінування графену кількома шарами. Короткої обробки 2 години було достатньо для виробництва малошарового графена у відкритій установці ультразвукової обробки мензурки.
Високошвидкісна послідовність (від a до f) кадрів, що ілюструють соно-механічне відлущування графітової пластівці у воді використовуючи UP200s, ультразвуковий пристрій 24 кГц з 3-мм сонотродом. Стрілками показано місце розщеплення (відлущування) з кавітаційними бульбашками, що пронизують розкол.
© Tyurnina et al., 2020
Оптимізація ультразвукового графену відлущування
Ультразвукова установка, що використовується Tyurnina et al. (2020) може бути легко оптимізована для більшої ефективності та швидшого відлущування, використовуючи закритий ультразвуковий реактор у проточному режимі. Ультразвукова вбудована обробка дозволяє значно більш рівномірну ультразвукову обробку всіх графітової сировини: подача графітового / водного розчину безпосередньо в замкнутий простір ультразвукової кавітації, весь графіт стає рівномірно ультразвуковим, що призводить до високого виходу високоякісних графітових пластівців.
Hielscher Ультразвукові системи дозволяють точно контролювати всі важливі параметри обробки, такі як амплітуда, час / утримання, введення енергії (Ws / мл), тиск і температура. Встановлення оптимальних ультразвукових параметрів призводить до найвищої врожайності, якості та загальної ефективності.
Як ультразвук сприяє графену відлущування
Коли високоенергетичні ультразвукові хвилі з'єднані в шлам графітового порошку і води або будь-якого розчинника, сономеханічні сили, такі як високий нахил, інтенсивні турбулентності і диференціальні речовини високого тиску і температури створюють енергоінтенсивні умови. Ці енергоінтенсивні умови є результатом явища акустичної кавітації.
Дізнайтеся більше про ультразвукову кавітацію тут!
Ультразвук енергії ініціює розширення графітового порошку, оскільки рідини пресуються між графеновими шарами, з яких складається графіт. Ультразвукові сили підстрижки розмінують окремі листи графена і розганяють їх як графенові пластівці в розчині. Для отримання довгострокової стійкості графена у воді потрібен поверхнево-активний засіб.
Мехнізм ультразвукового рідкого відлущування графенового відлущування.
Навчання і фото Тюрніної та ін., 2021.
Високоектуальні ультраакукатори для графену відлущування
Розумні особливості hielscher ультраакукатори призначені для забезпечення надійної роботи, відтворюваних результатів і зручності користувача. Оперативні налаштування можна легко отримати доступ і набирати через інтуїтивно зрозуміле меню, доступ до якого можна отримати за допомогою цифрового кольорового сенсорного дисплея та пульта дистанційного керування браузера. Тому всі умови обробки, такі як чиста енергія, сумарна енергія, амплітуда, час, тиск і температура, автоматично записуються на вбудовану SD-карту. Це дозволяє переглянути та порівняти попередні запуски ультразвукової обробки та оптимізувати процес відлущування графена до найвищої ефективності.
Hielscher Ультразвукові системи використовуються в усьому світі для виробництва високоякісних листів графена і оксидів графена. Hielscher промислові ультраакукатори можуть легко працювати високі амплітуди в безперервній роботі (24/7/365). Амплітуди до 200 мкм можуть легко безперервно генеруються за допомогою стандартних сонотродів (ультразвукові зонди / роги та каскородесТМ). Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Завдяки своїй надійності та низькому обслуговуванню, наші ультразвукові системи відлущування зазвичай встановлюються для важких застосувань та в складних умовах.
Ультразвукові процесори Hielscher для відлущування графену вже встановлені по всьому світу в комерційних масштабах. Зв'яжіться з нами зараз, щоб обговорити процес виробництва графена! Наш досвідчений персонал із задоволенням поділиться додатковою інформацією про процес відлущування, ультразвукові системи та ціноутворення!
У таблиці нижче наведено приблизну потужність обробки наших ультразвукових пристроїв:
| пакетний Обсяг | швидкість потоку | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 1 до 500мл | Від 10 до 200мл / хв | UP100H |
| Від 10 до 2000мл | Від 20 до 400мл / хв | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20 л | 0.2 до 4л / хв | UIP2000hdT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л / хв | UIP4000hdT |
| застосовується | Від 10 до 100 л / хв | UIP16000 |
| застосовується | більший | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитати нас!
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефотозні ультразвукові гомогенізатори для змішування застосувань, дисперсії, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних і промислових масштабах.
Література/довідники
- 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 варті знати
Графен
Графен є монослоєм SP2зв'язані атоми вуглецю. Графен пропонує унікальні властивості матеріалу, такі як надзвичайна велика питома поверхня (2620 м2г-1), чудові механічні властивості з модулем Юнга 1 ТПа та внутрішньою міцністю 130 ГПа, надзвичайно висока електронна провідність (рухливість електронної температури при кімнатній температурі 2,5 × 105 см2 V-1с-1), дуже висока теплопровідність (вище 3000 Вт м. к-1), щоб назвати найважливіші властивості. Завдяки своїм чудовим властивостям матеріалу графен сильно використовується при розробці та виробництві високоефективних батарей, паливних елементів, сонячних батарей, суперконденсаторів, водневих сховищ, електромагнітних щитів та електронних пристроїв. Крім того, графен входить до складу багатьох нанокомпозитів і композитних матеріалів як підсилююча добавка, наприклад, у полімерах, кераміці та металевих матрицях. Завдяки високій провідності графен є важливим компонентом провідних фарб та фарб.
Швидкий і безпечний ультразвукова підготовка графена без дефектів при великих обсягах при низьких витратах дозволяє розширювати застосування графена у все більше і більше галузей промисловості.
Графен є шаром вуглецю, що має один атом, який можна описати як одношарову або 2D структуру графена (одношаровий графен = SLG). Графен має надзвичайно велику площу питомої поверхні та чудові механічні властивості (модуль Юнга 1 ТПа та внутрішня міцність 130 ГПа), забезпечує чудову електронну і теплопровідність, мобільність носіїв заряду, прозорість та герметичність газів. Завдяки цим характеристикам матеріалу графен використовується як зміцнювальна добавка для отримання композитів її міцності, провідності та ін. Для того, щоб поєднати характеристики графена з іншими матеріалами, графен повинен бути розкинутим у сполуку або наноситись у вигляді тонкоплівкового покриття на підкладку.
Висока продуктивність ультразвуку! Асортимент продукції Hielscher охоплює повний спектр від компактного лабораторного ультразвукового над лавковими агрегатами до повноіндативних ультразвукових систем.