Відлущування графеном на водній основі
Ультразвукове відлущування дозволяє отримувати малошаровий графен без використання агресивних розчинників, використовуючи тільки чисту воду. Потужна ультразвукова апаратура розшаровує графенові листи за коротку обробку. Відмова від розчинників перетворює відлущування графену на екологічний, стійкий процес.
Виробництво графену шляхом рідкофазного відлущування
Графен комерційно виробляється шляхом так званого рідкофазного відлущування. Рідкофазне відлущування графену вимагає використання токсичних, шкідливих для навколишнього середовища та дорогих розчинників, які використовуються як хімічна попередня обробка або в поєднанні з/з технікою механічної диспергії. Для механічного диспергування графенових листів ультразвук був встановлений як високонадійний, ефективний і безпечний метод виробництва високоякісних графенових листів у великих кількостях на повністю промисловому рівні. Оскільки використання агресивних розчинників завжди супроводжується витратами, забрудненням, складним видаленням та утилізацією, питаннями безпеки, а також навантаженням на навколишнє середовище, нетоксична та безпечніша альтернатива є значно вигіднішою. Таким чином, відлущування графену з використанням води як розчинника та енергетичного ультразвуку для механічного розшарування кількох шарових графенових листів є дуже перспективною технологією для виробництва зеленого графену.
Поширені розчинники, які часто використовуються як рідка фаза для диспергування графенових нанолистів, включають диметилсульфоксид (DMSO), N,N-диметилформамід (DMF), N-метил-2-піролідон (NMP), тетраметилсечовину (TMU), тетрагідрофуран (THF), пропіленкарбонатацетон (PC), етанол і формамід.
Як вже давно встановлена техніка відлущування графену в комерційних масштабах, ультразвук дозволяє виробляти високоякісний графен високої чистоти за низькими витратами. Оскільки ультразвукове відлущування графену може бути повністю лінійно масштабоване до будь-якого обсягу, вихід виробництва високоякісних графенових пластівців може бути легко реалізований для масового виробництва графену.
UIP2000hdT – це потужний ультразвуковий диспергатор потужністю 2 кВт для відлущування та диспергування графену.
Ультразвукове відлущування графену у воді
Tyurnina et al. (2020) досліджували вплив амплітуди та інтенсивності звуку на чисті водно-графітові розчини та спричинене відлущування графену. У дослідженні вони використовували Hielscher UP200S (200 Вт, 24 кГц). Ультразвукове відлущування з використанням води було застосовано як одноетапний процес для кількашарового розшарування графену. Короткої обробки тривалістю 2 год було достатньо для отримання кількашарового графену в відкритій установці ультразвуку в мензурці.
Високошвидкісна послідовність (від a до f) кадрів, що ілюструють сономеханічне відлущування графітової лусочки у воді за допомогою UP200s, ультразвукового апарату 24 кГц з сонотродом 3 мм. Стрілками показано місце розщеплення (відлущування) з кавітаційними бульбашками, що проникають в розщепів.
Оптимізація ультразвукового відлущування графеном
Ультразвукову установку, використану Tyurnina et al. (2020), можна легко оптимізувати для більшої ефективності та швидшого відлущування за допомогою закритого ультразвукового реактора в режимі проточування. Ультразвукова вбудована обробка дозволяє проводити значно більш рівномірну ультразвукову обробку всієї графітової сировини: подаючи графітовий? водний розчин безпосередньо в обмежений простір ультразвукової кавітації, весь графіт стає рівномірно звукоізованим, що призводить до високого виходу високоякісних графенових пластівців.
Системи Hielscher Ultrasonics дозволяють точно контролювати всі важливі параметри обробки, такі як амплітуда, час? утримання, вхідна енергія (Вт/мл), тиск і температура. Налаштування оптимальних ультразвукових параметрів забезпечує найвищий вихід, якість та загальну ефективність.
Як ультразвук сприяє відлущуванню графену
Коли ультразвукові хвилі високої потужності з'єднуються в суспензію графітового порошку та води або будь-якого розчинника, сономеханічні сили, такі як високий зсув, інтенсивні турбулентності та високі перепади тиску та температури, створюють енергоємні умови. Ці енергоємні умови є результатом явища акустичної кавітації.
Детальніше про ультразвукову кавітацію читайте тут!
Потужний ультразвук ініціює розширення графітового порошку, оскільки між шарами графену пресуються рідини, з яких складається графіт. Ультразвукові зсувні сили розшаровують окремі листи графену і розсіюють їх у вигляді графенових пластівців у розчині. Для отримання довготривалої стабільності графену у воді необхідна поверхнево-активна речовина.
Механізм ультразвукового рідкофазного пілінгу графенового пілінгу.
Високоефективні ультразвукові апарати для відлущування графеном
Інтелектуальні функції ультразвукових систем Hielscher розроблені таким чином, щоб гарантувати надійну роботу, відтворювані результати та зручність використання. Доступ до робочих налаштувань можна легко отримати та набрати за допомогою інтуїтивно зрозумілого меню, доступ до якого можна отримати за допомогою цифрового кольорового сенсорного дисплея та пульта дистанційного керування браузером. Тому всі умови обробки, такі як чиста енергія, загальна енергія, амплітуда, час, тиск і температура, автоматично записуються на вбудовану SD-карту. Це дозволяє переглянути та порівняти попередні процедури ультразвукового дослідження та оптимізувати процес відлущування графену з максимальною ефективністю.
Ультразвукові системи Hielscher використовуються в усьому світі для виробництва високоякісних графенових листів і оксидів графену. Промислові ультразвукові апарати Hielscher можуть легко працювати з високими амплітудами в безперервній роботі (24/7/365). Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно генерувати за допомогою стандартних сонотродів (ультразвукових зондів? ріжків і КаскатродиТМ). Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Завдяки своїй надійності та невибагливому обслуговуванню наші системи ультразвукового відлущування зазвичай встановлюються для важких умов і в складних умовах.
Ультразвукові процесори Hielscher для відлущування графену вже встановлені по всьому світу в комерційних масштабах. Зв'яжіться з нами зараз, щоб обговорити ваш процес виробництва графену! Наш досвідчений персонал буде радий поділитися додатковою інформацією про процес відлущування, ультразвукові системи та ціни!
Щоб дізнатися більше про синтез, диспергування та функціоналізацію ультразвукового графену, натисніть тут:
- Виробництво графену
- Графенові нанопластини
- Відлущування графеном на водній основі
- Вододиспергуючий графен
- оксид графену
- Ксени
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами!? Запитайте нас!
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Література? Список літератури
- 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 являє собою моношар sp2-зв'язані атоми вуглецю. Графен має унікальні характеристики матеріалу, такі як надзвичайно велика питома площа поверхні (2620 м2g-1), superior mechanical properties with a Young’s modulus of 1 TPa and an intrinsic strength of 130 GPa, an extremely high electronic conductivity (room-temperature electron mobility of 2.5 × 105 cm2 V-1s-1), дуже висока теплопровідність (вище 3000 Вт м К-1), щоб назвати найважливіші властивості. Завдяки своїм чудовим властивостям матеріалу графен активно використовується в розробці та виробництві високопродуктивних акумуляторів, паливних елементів, сонячних елементів, суперконденсаторів, накопичувачів водню, електромагнітних екранів та електронних пристроїв. Крім того, графен входить до складу багатьох нанокомпозитів і композитних матеріалів як армуюча добавка, наприклад, у полімерах, кераміці та металевих матрицях. Завдяки високій провідності графен є важливим компонентом струмопровідних фарб і чорнила.
Швидке та безпечне ультразвукове отримання бездефектного графену у великих обсягах при низьких витратах дозволяє розширювати сфери застосування графену на все більшій кількості галузей промисловості.
Graphene is a one-atom-thick layer of carbon, which can be described as a single-layer or 2D structure of graphene (single layer graphene = SLG). Graphene has an extraordinarily large specific surface area and superior mechanical properties (Young’s modulus of 1 TPa and intrinsic strength of 130 GPa), offers great electronic and thermal conductivity, charge carrier mobility, transparency, and is impermeable to gases. Due to these material characteristics, graphene is used as reinforcing additive to give composites its strength, conductivity, etc. In order to combine the characteristics of graphene with other materials, graphene must be dispersed into the compound or is applied as a thin-film coating onto a substrate.
High performance ultrasonics! Hielscher’s product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.