Ultrasonik eksfoliatsiya yordamida sanoat miqyosidagi bir qavatli grafen
Grafen zamonaviy fanning eng qiziqarli materiallaridan biriga aylandi – va buning yaxshi sababi bor. Bu shunchaki emas “yana bir uglerod materiali.” Grafen mukammal tartiblangan ko'plab chuqurchalar panjarasida joylashgan uglerodning bitta atom qatlamidir va bu oddiy ko'rinadigan tuzilish kam sonli materiallar tenglasha oladigan xususiyatlarning hayratlanarli kombinatsiyasini hosil qiladi.
Muammo doimo shunday: Qanday qilib yuqori sifatli bir qavatli grafenni samarali, izchil va sanoat miqyosida ishlab chiqaramiz?
Bu yerda yuqori samarali ultratovushli eksfoliatsiya amalga oshiriladi – ayniqsa Hielscher zond tipidagi sonikatörlar bilan – amaliy va kengaytiriladigan javobni taklif qiladi.
Muammo: Bir qavatli grafenni keng ko'lamda ishlab chiqarish
Grafen tabiiy ravishda grafit ichida mavjud bo'lib, u yerda millionlab grafen qatlamlari bir-biriga mahkam joylashgan. Bu qatlamlar kuchli qatlamlararo kuchlar (van der Waals o'zaro ta'siri) tomonidan ushlab turiladi, bu esa ularni toza ajratishni qiyinlashtiradi.
Maqsad aniq:
- Bir qavatli grafenning yuqori hosildorligi
- Grafen panjarasiga minimal zarar
- Yagona varaq o'lchami va morfologiyasi
- Sanoat hajmlariga moslashtirilishi mumkin
- Iqtisodiy jihatdan samarali va ekologik jihatdan barqaror
An'anaviy usullar bu talablarning barchasini birdaniga qondirish uchun kurashadi.
Ultratovushli grafenli eksfoliatsiya
Nima uchun an'anaviy peeling usullari muvaffaqiyatsizlikka uchraydi
An'anaviy piling usullari mexanik, kimyoviy va suyuq fazali pilingni o'z ichiga oladi. Bu usullarning barchasi grafen ishlab chiqarishni samarasiz va/yoki xavfli qiladigan cheklovlarga ega.
Mexanik eksfoliatsiya
Eng ko'zga ko'ringan mexanik texnika mashhurdir “skotch lentasi” usul. U toza grafen ishlab chiqarishi mumkin, ammo:
- hosildorlik juda past
- choyshablar tartibsiz
- ishlab chiqarish uchun mutlaqo amaliy emas
Kimyoviy peeling
Bu usul qatlam bog'lanishlarini uzish uchun kuchli kislotalar va oksidlovchilardan foydalanadi, ammo:
- iflosliklar va nuqsonlarni keltirib chiqaradi
- kimyoviy chiqindilarni hosil qiladi
- erituvchilar, kimyoviy moddalar va chiqindilar tufayli narxni oshiradi
- grafen kimyosini o'zgartiradi (ko'pincha doimiy ravishda)
An'anaviy suyuq fazali eksfoliatsiya
Bu yondashuv yanada kengaytirilishi mumkin, ammo ko'pincha quyidagilarni talab qiladi:
- N-Metil-2-pirrolidon (NMP) yoki Dimetilformamid (DMF) kabi maxsus erituvchilar
- uzoq ishlov berish vaqti
- yuqori energiya sarfisiz cheklangan hosildorlik va jarayon samaradorligi
Grafen nanoshujayralarining yuqori aniqlikdagi TEM tasvirlari
ultratovushli Hummer usuli orqali.
(O'rganish va grafik: Ghanem va Rehim, 2018)
Ultratovushli grafen ishlab chiqarish: sanoat yo'li oldinga
Ultratovushli grafen sintezi energiyani to'g'ridan-to'g'ri suspenziyaga yetkazib beradigan yuqori quvvatli zond sonikatsiyasidan foydalanganda juda samarali bo'ladi. – vanna sonikatsiyasidan ancha samaraliroq.
Amalda, ultratovush grafen ishlab chiqarishni ikkita asosiy yo'nalish orqali qo'llab-quvvatlaydi:
1-usul: Ultratovush yordamida yordamchi Hummers’ Usul (Grafen oksidi)
Hummerlar’ Usul - bu grafit kuchli kislotalar va oksidlovchi moddalar - odatda sulfat kislota, nitrat kislota va kaliy permanganat aralashmasi yordamida oksidlanadigan kimyoviy yo'l. Ushbu reaksiya davomida gidroksil, epoksid va karboksil guruhlari kabi kislorodli funktsional guruhlar uglerod panjarasiga kiritiladi. Natijada grafenning kimyoviy modifikatsiyalangan hosilasi bo'lgan grafen oksidi (GO) hosil bo'ladi.
Bu jarayon davomida ultratovush qo'llanilganda, u reaksiya samaradorligini sezilarli darajada oshiradi. Ultratovush aralashtirish reaktivlar va grafit zarralari o'rtasida massa almashinuvini yaxshilaydi, bu esa bir xil oksidlanishni ta'minlaydi. Shu bilan birga, kavitatsiya natijasida hosil bo'lgan siljish kuchlari oksidlangan grafit qatlamlarini alohida varaqlarga ajratishga yordam beradi, bu esa eksfoliatsiyani tezlashtiradi va dispersiya sifatini yaxshilaydi.
Bu yerda ultratovush nima qiladi:
- massa almashinuvini yaxshilaydi
- dispersiyani tezlashtiradi
- oksidlangan qatlamlarni bitta varaqlarga ajratishga yordam beradi
Ushbu usulning mahsuloti gidrofil sirt kimyosi tufayli suvda osongina tarqaladigan bir yoki bir necha qatlamli varaqlar ko'rinishidagi grafen oksididir. Kiritilgan funktsional guruhlar tufayli grafen oksidi yuqori reaktivlikka ega va keyingi kimyoviy funksionalizatsiya, kompozit integratsiya yoki modifikatsiyalangan grafen tuzilmalariga qaytarish uchun juda mos keladi.
Ultratovush yordamida Hummer usuli nimani ishlab chiqaradi:
- grafen oksidi varaqlari
- suvdagi gidrofilik dispersiyalar
- funktsionalizatsiya qilish uchun mos bo'lgan kimyoviy modifikatsiyalangan grafen shakli
Bu yondashuv, ayniqsa, maqsad sof grafen emas, balki keyingi modifikatsiya yoki maxsus interfeys qo'llanmalari uchun mo'ljallangan sirt faol, kimyoviy jihatdan sozlanadigan material bo'lganda juda mos keladi.
Natriy dodetsilbenzensulfonat (SDS) yordamida Hummer usuli va dispersiya texnikasidan tayyorlangan grafen sintezining grafik tasviri: (A) grafit tuzilishi; (B) disperslangan grafen nanotsitlari sonikator UP100H yordamida; (C) qaytarilgan grafen oksidi; va (D) grafen oksidi.
(O'rganish va grafik: Ghanem va Rehim, 2018)
2-usul: Ultratovushli suyuq fazali eksfoliatsiya (toza grafen)
Ultratovushli suyuq fazali eksfoliatsiyada, grafitning katta qismi mos erituvchida - odatda N-metil-2-pirrolidon (NMP) yoki dimetilformamidda (DMF) - tarqaladi va yuqori quvvatli ultratovushga duchor qilinadi. Oksidlanish usullaridan farqli o'laroq, bu jarayon asosan kimyoviy emas, balki fizikdir.
Qo'llaniladigan ultratovush energiyasi suyuqlik ichida kuchli kavitatsiya kuchlarini hosil qiladi. Bu kuchlar grafen qatlamlarini bir-biriga bog'lab turadigan van der Waals o'zaro ta'sirini yengib o'tadi va grafitni alohida grafen varaqlariga fizik jihatdan ajratadi. Eksfoliatsiya jarayonida erituvchi muhitda grafen nanoshujayralarining barqaror dispersiyalari hosil bo'ladi.
Bu yerda ultratovush nima qiladi:
- grafitni jismonan delaminatsiya qiladi
- individual grafen qatlamlarini ajratib turadi
- barqaror grafen dispersiyalarini hosil qiladi
Bu usul asosiy maqsad asl sp² uglerod panjarasining yaxlitligini saqlab qolish bo'lgan hollarda afzalroqdir. Agressiv oksidlovchi moddalar ishtirok etmagani uchun grafenning kristall tuzilishi va ichki elektr va mexanik xususiyatlari ancha yuqori darajada saqlanib qolishi mumkin. Bundan tashqari, ultratovushli suyuq fazali eksfoliatsiya kengaytiriladigan ishlab chiqarish uchun juda mos keladi, bu esa mahsulotning mustahkamligini saqlab qolish bilan birga laboratoriya tadqiqotlaridan sanoat ishlab chiqarishiga ishonchli o'tish imkonini beradi.
Maqsadingiz quyidagi hollarda ushbu yondashuv afzalroq variant hisoblanadi:
- Asl sp² panjarasini saqlab qolish
- Yuqori sifatli grafen nanoshujatlarini ishlab chiqarish
- Ishlab chiqarishni ishonchli tarzda kengaytirish
Xulosa qilib aytganda, Hummers esa’ Usul kimyoviy modifikatsiyaga ustuvor ahamiyat beradi, ultratovushli suyuq fazali eksfoliatsiya strukturaviy saqlash va yuqori sifatli grafen nanoshujatlarini ishlab chiqarishga qaratilgan.
Yuqori tezlikdagi ketma-ketlik (a dan f gacha) 3 mm sonotrodli 200 Vt ultratovushli UP200S yordamida suvda grafit parchasining sono-mexanik eksfoliatsiyasini tasvirlaydigan kadrlar. O'qlar bo'linish joyini (eksfoliatsiyani) ko'rsatadi, ular bo'linishga kirib boradigan kavitatsiya pufakchalari.
(o'rganish va rasmlar: © Tyurnina va boshqalar. 2020
To'g'ri yo'lni tanlash: saqlash yoki o'zgartirish?
Oddiy savol eng yaxshi usulni aniqlaydi:
Siz toza grafenni xohlaysizmi? – yoki funksionallashtirilgan grafen oksidi?
Suyuq fazali eksfoliatsiya panjarani saqlashga va qatlamlararo kuchlarni muloyimlik bilan yengishga qaratilgan.
Hummerlar’ Usul ataylab kimyoni o'zgartiradi, kislorod guruhlari va nuqsonlarini kiritadi va ultratovush asosan strukturani himoya qilish o'rniga dispersiyani yaxshilaydi.
Bu farq yakuniy grafenning ishlashi va qo'llanilish potentsialiga kuchli ta'sir qiladi.
Sanoat sonikatori UIP16000hdT Yuqori o'tkazuvchanlikda eksfoliatsiya va nano-dispersiya uchun
Nima uchun ultratovushli eksfoliatsiya sanoat grafenlari uchun afzalroq
An'anaviy eksfoliatsiya usullari bilan taqqoslaganda, ultratovushli suyuq fazali eksfoliatsiya samaradorlik, mahsulot sifati va sanoat miqyosining noyob kombinatsiyasini taklif etadi.
Uning eng muhim afzalliklaridan biri yuqori piling hosildorligidir. Optimallashtirilgan ishlov berish sharoitida ultratovushli kavitatsiya grafen varaqlarini grafitdan juda yuqori samaradorlik bilan ajratishi mumkin, ko'pincha asosan bir qavatli materialga erishadi. Bu mexanik pilingga nisbatan sezilarli yaxshilanishni anglatadi, bu esa faqat minimal miqdordagi foydalanishga yaroqli grafenni ishlab chiqaradi.
Bir xillik yana bir hal qiluvchi omil hisoblanadi. Kavitatsiya jarayonini diqqat bilan boshqarish mumkinligi sababli, natijada hosil bo'lgan grafen varaqlari bir xil qalinlik va morfologiyani namoyish etishga moyildir. Ushbu takrorlanuvchanlik materialning mustahkamligi mahsulotning ishlashiga bevosita ta'sir qiladigan sanoat qo'llanmalari uchun juda muhimdir.
Masshtablash qobiliyati ultratovushli ishlov berishni yanada ajratib turadi. Laboratoriya stakanida ishlaydigan narsa tajriba miqyosiga va oxir-oqibat sanoat ichidagi ishlab chiqarishga o'tkazilishi mumkin. Uzluksiz ultratovushli oqim reaktorlari katta hajmdagi grafit dispersiyasini boshqariladigan va takrorlanadigan sharoitlarda qayta ishlashga imkon beradi, bu esa texnologiyani tijorat jihatidan foydali qiladi.
Jarayonni boshqarish moslashuvchanlikning yana bir qatlamini qo'shadi. Amplituda, ultratovush quvvati, bosim, harorat va turish vaqti kabi parametrlarni aniq sozlash mumkin. Bu ishlab chiqaruvchilarga grafen xususiyatlarini takrorlanuvchanlikni saqlab qolgan holda ma'lum dastur talablariga moslashtirish imkonini beradi.
Nihoyat, ultratovushli suyuqlik fazali eksfoliatsiya yanada barqaror erituvchi tizimlar yordamida amalga oshirilishi mumkin. Formulaga va maqsadli qo'llanilishiga qarab, etanol asosidagi tizimlar, ionli suyuqliklar yoki hatto suvli muhitlardan foydalanish mumkin, bu esa kuchli oksidlovchi kimyoviy yo'llarga nisbatan ekologik va tartibga solish afzalliklarini taqdim etadi.
Nima uchun Hielscher Probe sonikatorlari grafenni tozalash uchun idealdir
Hielscher Ultrasonics grafenni qayta ishlash uchun maxsus mos keladigan to'liq texnologik platformani taqdim etadi.
Asosiy afzalliklarga quyidagilar kiradi:
- zond tipidagi ultratovush (vanna sonikatsiyasidan ancha samaraliroq)
- qo'lda va stol usti tizimlaridan tortib, sanoat 24/7 reaktorlarigacha kengaytirilishi mumkin
- amplituda, quvvat va bosim ustidan aniq nazorat
- Uzluksiz ishlash uchun mustahkam, sanoat darajasidagi konstruktsiya
Ommaviy va ichki ishlov berish: Laboratoriyadan fabrikagacha
Hielscher tizimlari ham ommaviy, ham ichki ishlov berishni qo'llab-quvvatlaydi, bu esa tadqiqotdan ishlab chiqarishga uzluksiz o'tish imkonini beradi.
Ommaviy sonicationni amalga oshirish juda oson va ayniqsa laboratoriya tadqiqotlari, formulalarni ishlab chiqish va kichik miqyosli grafen ishlab chiqarish uchun juda mos keladi. U moslashuvchanlik va tezkor parametrlarni optimallashtirishni taklif etadi, bu esa uni jarayonni erta bosqichda ishlab chiqishda ideal qiladi.
Biroq, sanoat miqyosidagi ishlab chiqarish uchun odatda ichki ishlov berish afzalroqdir. Ushbu konfiguratsiyada grafit dispersiyasi ultratovushli oqim xujayrasi reaktori orqali uzluksiz ravishda pompalanadi. Bu kavitatsiya kuchlariga bir xil ta'sir qilishni ta'minlaydi, natijada izchil eksfoliatsiya sifati va yuqori o'tkazuvchanlik ta'minlanadi. Bosimli reaktorlar bilan birlashtirilganda, kavitatsiya intensivligi yanada oshishi mumkin, bu esa eksfoliatsiya samaradorligi va unumdorligini oshiradi.
Hielscher tizimlarining modulli dizayni kompaniyalarga asosiy texnologik platformani o'zgartirmasdan, dastgoh miqyosidagi tajribalardan boshlash va to'liq uzluksiz, 24/7 sanoat ishlab chiqarishiga kengaytirish imkonini beradi.
Quyidagi jadvalda ultrasonikatorlarimizning taxminiy qayta ishlash quvvati ko'rsatilgan:
| To'plam hajmi | Oqim darajasi | Tavsiya etilgan qurilmalar |
|---|---|---|
| 0,5 dan 1,5 ml gacha | na | VialTweeter |
| 1 dan 500 ml gacha | 10 dan 200 ml / min | UP100H |
| 10 dan 2000 ml gacha | 20 dan 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 dan 20 L gacha | 0.2 dan 4L/min gacha | UIP2000hdT |
| 10 dan 100 l gacha | 2 dan 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 dan 150 litrgacha | 3 dan 15 l / min | UIP6000hdT |
| na | 10 dan 100 l / min | UIP16000hdT |
| na | kattaroq | ning klasteri UIP16000hdT |
Grafendan tashqari: 2D materiallar uchun ultratovush (“Ksenlar”)
Ultratovushli eksfoliatsiya faqat grafen bilan cheklanmaydi.
Shuningdek, u grafenning bir qavatli 2D analoglari bo'lgan ksenlarni ishlab chiqarishda keng qo'llaniladi, jumladan:
- Borofen (va borofen nanolentalari / borofen oksidi)
- MXenlar (2D o'tish metall karbidlari, nitridlar, karbonitridlar)
- Vismuten (elektrokataliz va biomoslik bilan mashhur)
- Silitsen (grafenga o'xshash 2D kremniy)
Xuddi shu kavitatsiya mexanizmi ultratovushni ko'plab qatlamli 2D materiallar uchun eng kengaytiriladigan yo'nalishlardan biriga aylantiradi.
Sonicator UIP2000hdT grafenning sanoat sintezi uchun
Adabiyot / Adabiyotlar
- FactSheet – Ultrasonic Graphene Exfoliation – Hielscher Ultrasonics
- 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.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
tez-tez so'raladigan savollar
Grafenni nima shunchalik noyob qiladi?
Grafen ko'pincha ma'lum bo'lgan eng yupqa va eng mustahkam material sifatida ta'riflanadi. Ammo uning asl qiymati uning atom tuzilishining g'ayrioddiy ishlashga aylanishidadir.
- Haddan tashqari mexanik kuch
Grafenning cho'zilish kuchi po'latdan 200 baravargacha kuchliroq deb taxmin qilinadi. Bu uni yengil, yuqori mustahkamlikdagi materiallar uchun ideal nomzodga aylantiradi, ayniqsa gramm uchun unumdorlik muhim bo'lgan sohalarda. - Ajoyib elektr o'tkazuvchanligi
Grafen elektr tokini misdan ham yaxshiroq o'tkazadi. Bu moslashuvchan sxemalar va o'ta yupqa komponentlarni o'z ichiga olgan tezroq, kichikroq va samaraliroq elektronikaga eshik ochadi. - Yuqori issiqlik o'tkazuvchanligi
Grafen issiqlikni juda yaxshi o'tkazadi - hatto olmosdan ham yaxshiroq. Bu uni elektronika, issiqlikni boshqarish tizimlari va ilg'or energiya qurilmalarida issiqlik tarqalishi uchun juda qimmatli qiladi. - Yuqori optik shaffoflik
Kuchliligi va o'tkazuvchanligiga qaramay, grafen deyarli shaffofdir. Bu uni shaffof o'tkazuvchan plyonkalar, optik komponentlar va ilg'or displey texnologiyalari uchun mos qiladi.
Nima uchun Grafen a? “Platforma materiallari” Ko'pgina sanoat tarmoqlari uchunmi?
Grafen mexanik mustahkamlik, elektr o'tkazuvchanligi, issiqlik ko'rsatkichlari va optik shaffoflikni noyob tarzda birlashtirgani sababli, u bitta soha bilan cheklanib qolmaydi. Buning o'rniga, u butun texnologiya sohalarini modernizatsiya qilishga qodir platforma materiali bo'lib xizmat qiladi.
- Elektronikada grafen ultra yupqa, egiluvchan va yuqori samarali komponentlarni ishlab chiqish imkonini beradi. Tadqiqotchilar uni keyingi avlod tranzistorlari, shaffof o'tkazuvchan plyonkalar, quyosh batareyalari va yorug'lik chiqaradigan qurilmalarga integratsiyalashni o'rganmoqdalar. Uning ajoyib zaryad tashuvchilarining harakatchanligi uni miniatyuralashtirilgan va yuqori tezlikdagi elektron tizimlar uchun ayniqsa jozibador qiladi.
- Energiyani saqlash sohasida grafenning yuqori elektr o'tkazuvchanligi va issiqlik barqarorligi batareya va superkondensatorlarning ishlashini yaxshilashga yordam beradi. Grafenni o'z ichiga olgan qurilmalar yuqori energiya zichligi, tezroq zaryadlash tezligi va sikl barqarorligini oshirishi mumkin. – elektr harakatchanligi va qayta tiklanadigan energiya tizimlari uchun muhim parametrlar.
- Grafen shuningdek, kompozit materiallarni sezilarli darajada yaxshilaydi. Polimerlar, metallar yoki keramika tarkibiga qo'shilganda, hatto oz miqdordagi moddalar ham mexanik mustahkamlikni, qattiqlikni va issiqlik o'tkazuvchanligini oshirishi mumkin. Bu grafen bilan mustahkamlangan kompozitlarni aerokosmik komponentlar, avtomobil konstruksiyalari va ilg'or qurilish materiallari uchun jozibador qiladi.
- Biotibbiyot va biomuhandislik qo'llanmalarida grafenning sozlanishi mumkin bo'lgan sirt kimyosi va biomosligi uni dori vositalarini yetkazib berish tizimlarida, biosensorlarda va to'qima muhandisligi iskalalarida qo'llash imkonini beradi. Bu xususiyatlar ilg'or diagnostika va terapevtik texnologiyalar uchun yo'l ochadi.
Hielscher Ultrasonics kompaniyasi yuqori samarali ultratovushli homogenizatorlarni ishlab chiqaradi laboratoriya uchun sanoat hajmi.