Ultratovushli eksfoliatsiya yordamida sanoat miqyosida bir qatlamli grafen olish
Grafen zamonaviy ilm-fanning eng qiziqarli materiallaridan biriga aylandi – buning asosli sabablari bor. U shunchaki «yana bir uglerod materiali» emas. Grafen mukammal tartibli asalari uyasi shaklidagi panjarada joylashgan uglerod atomlarining bir qatlamidir va sodda koʻringan bu tuzilma kamdan-kam materiallar tenglasha oladigan xossalarning hayratlanarli uygʻunligini hosil qiladi.
Muammo doimo shunday: yuqori sifatli bir qatlamli grafenni qanday qilib samarali, barqaror va sanoat hajmlarida ishlab chiqarish mumkin?
Aynan shu yerda yuqori samarali ultratovushli eksfoliatsiya – ayniqsa Hielscher zondli sonikatorlari yordamida – amaliy va ishlab chiqarish miqyosini oshirishga mos yechimni taklif etadi.
Muammo: bir qatlamli grafenni katta miqyosda ishlab chiqarish
Grafen tabiiy ravishda grafit tarkibida mavjud boʻlib, unda millionlab grafen qatlamlari bir-biriga zich taxlangan. Bu qatlamlarni kuchli qatlamlararo kuchlar (van der Waals oʻzaro taʼsirlari) ushlab turadi, shu sababli ularni shikastlamasdan ajratish qiyin.
Maqsad aniq:
- Bir qatlamli grafenning yuqori chiqimi
- Grafen panjarasining minimal shikastlanishi
- Varaqlarning bir xil oʻlchami va morfologiyasi
- Ishlab chiqarish miqyosini sanoat hajmlarigacha oshirish imkoniyati
- Iqtisodiy samaradorlik va ekologik barqarorlik
Anʼanaviy usullar bu talablarning barchasini bir vaqtning oʻzida qondirishda qiynaladi.
Grafenning ultratovushli eksfoliatsiyasi
Nega odatiy eksfoliatsiya usullari yetarli emas
Odatiy eksfoliatsiya usullariga mexanik, kimyoviy va suyuq fazali eksfoliatsiya kiradi. Bu usullarning barchasida grafen ishlab chiqarishni samarasiz va/yoki xavfli qiladigan cheklovlar mavjud.
Mexanik eksfoliatsiya
Eng mashhur mexanik usul taniqli «Scotch tape» usulidir. U kimyoviy oʻzgartirilmagan, nuqsonsiz grafen hosil qilishi mumkin, ammo:
- chiqim nihoyatda past
- varaqlar notekis
- ishlab chiqarish uchun mutlaqo yaroqsiz
Kimyoviy eksfoliatsiya
Bu usul qatlamlar orasidagi bogʻlarni uzish uchun kuchli kislotalar va oksidlovchilardan foydalanadi, ammo:
- aralashmalar va nuqsonlarni kiritadi
- kimyoviy chiqindilar hosil qiladi
- erituvchilar, kimyoviy moddalar va chiqindilarni utilizatsiya qilish tufayli xarajatlarni oshiradi
- grafenning kimyoviy xususiyatlarini oʻzgartiradi (koʻpincha qaytarib boʻlmaydigan tarzda)
Odatiy suyuq fazali eksfoliatsiya
Bu yondashuvda ishlab chiqarish miqyosini oshirish osonroq, ammo u koʻpincha quyidagilarni talab qiladi:
- N-metil-2-pirrolidon (NMP) yoki dimetilformamid (DMF) kabi maxsus erituvchilar
- uzoq ishlov berish vaqti
- katta miqdorda energiya kiritilmasa, chiqim va jarayon samaradorligi cheklangan boʻladi
Grafen nanovaraqlarining yuqori aniqlikdagi TEM tasvirlari
ultratovush yordamidagi Hummer usuli orqali olingan.
(Tadqiqot va grafik: Ghanem va Rehim, 2018)
Grafenni ultratovush yordamida ishlab chiqarish: sanoat taraqqiyoti yoʻli
Grafenning ultratovushli sintezi yuqori quvvatli zond bilan ultratovushli ishlov berilganda juda samarali boʻladi; bunda energiya bevosita suspenziyaga uzatiladi – bu ultratovush vannasida ishlov berishga qaraganda ancha samaraliroq.
Amaliyotda ultratovush grafen ishlab chiqarishga ikki asosiy yoʻl orqali yordam beradi:
1-usul: ultratovush yordamidagi Hummers usuli (grafen oksidi)
Hummers usuli kimyoviy yoʻl boʻlib, unda grafit kuchli kislotalar va oksidlovchi moddalar aralashmasi – odatda sulfat kislota, nitrat kislota va kaliy permanganat yordamida oksidlanadi. Bu reaksiya davomida uglerod panjarasiga gidroksil, epoksid va karboksil guruhlari kabi kislorod tutuvchi funksional guruhlar kiritiladi. Natijada grafenning kimyoviy oʻzgartirilgan hosilasi boʻlgan grafen oksidi (GO) olinadi.
Bu jarayonda ultratovush qoʻllanilganda, u reaksiya samaradorligini sezilarli darajada oshiradi. Ultratovushli aralashtirish reagentlar va grafit zarrachalari oʻrtasidagi massa almashinuvini yaxshilab, bir tekisroq oksidlanishni taʼminlaydi. Shu bilan birga, kavitatsiya tufayli yuzaga keladigan siljish kuchlari oksidlangan grafit qatlamlarining alohida varaqlarga ajralishiga yordam beradi, eksfoliatsiyani tezlashtiradi va dispersiya sifatini yaxshilaydi.
Bu yerda ultratovush quyidagilarni bajaradi:
- massa almashinuvini yaxshilaydi
- dispersiyalashni tezlashtiradi
- oksidlangan qatlamlarni alohida varaqlarga ajratishga yordam beradi
Bu usul mahsuloti bir yoki bir necha qatlamli varaqlar shaklidagi grafen oksidi boʻlib, sirtining gidrofil kimyoviy xususiyatlari tufayli suvda oson dispersiyalanadi. Kiritilgan funksional guruhlar tufayli grafen oksidi yuqori reaktivlikka ega va keyingi kimyoviy funksionallashtirish, kompozitlarga kiritish yoki qaytarish orqali oʻzgartirilgan grafen tuzilmalarini olish uchun juda mos keladi.
Ultratovush yordamidagi Hummer usuli quyidagilarni hosil qiladi:
- grafen oksidi varaqlari
- suvdagi gidrofil dispersiyalar
- funksionallashtirishga mos, kimyoviy oʻzgartirilgan grafen shakli
Bu yondashuv maqsad kimyoviy oʻzgartirilmagan, nuqsonsiz grafen olish emas, balki keyingi oʻzgartirishlar yoki fazalararo chegaraga oid muayyan qoʻllanmalar uchun moʻljallangan, sirt-faol va kimyoviy xususiyatlarini sozlash mumkin boʻlgan material olish boʻlganda ayniqsa mos keladi.
Hummer usuli va natriy dodesilbenzolsulfonat (SDS) yordamidagi dispersiyalash texnikasi bilan amalga oshirilgan grafen sintezining grafik tasviri: (A) grafit tuzilmasi; (B) UP100H sonikatori yordamida dispersiyalangan grafen nanoplastinkalari; (C) qaytarilgan grafen oksidi; va (D) grafen oksidi.
(Tadqiqot va grafik: Ghanem va Rehim, 2018)
2-usul: ultratovushli suyuq fazali eksfoliatsiya (kimyoviy oʻzgartirilmagan, nuqsonsiz grafen)
Ultratovushli suyuq fazali eksfoliatsiyada hajmli grafit mos erituvchida – odatda N-metil-2-pirrolidon (NMP) yoki dimetilformamid (DMF)da – dispersiyalanadi va yuqori quvvatli ultratovush taʼsiriga duchor qilinadi. Oksidlovchi usullardan farqli ravishda, bu jarayon mohiyatan kimyoviy emas, fizik jarayondir.
Qoʻllanilgan ultratovush energiyasi suyuqlik ichida kuchli kavitatsiya kuchlarini hosil qiladi. Bu kuchlar grafen qatlamlarini birga ushlab turadigan van der Waals oʻzaro taʼsirlarini yengib, grafitni fizik ravishda alohida grafen varaqlariga ajratadi. Eksfoliatsiya davom etgan sari erituvchi muhitida grafen nanovaraqlarining barqaror dispersiyalari hosil boʻladi.
Bu yerda ultratovush quyidagilarni bajaradi:
- grafitni fizik ravishda qatlamlarga ajratadi
- alohida grafen qatlamlarini ajratadi
- barqaror grafen dispersiyalarini hosil qiladi
Asosiy maqsad dastlabki sp² uglerod panjarasining yaxlitligini saqlash boʻlganda bu usul afzal hisoblanadi. Agressiv oksidlovchi moddalar qatnashmagani sababli grafenning kristall tuzilmasi va oʻziga xos elektr hamda mexanik xossalarini ancha yuqori darajada saqlab qolish mumkin. Bundan tashqari, ultratovushli suyuq fazali eksfoliatsiya ishlab chiqarish miqyosini oshirish uchun juda mos keladi va mahsulot xususiyatlarining barqarorligini saqlagan holda laboratoriya tadqiqotlaridan sanoat ishlab chiqarishiga ishonchli oʻtish imkonini beradi.
Maqsadingiz quyidagilardan iborat boʻlsa, bu yondashuv afzal tanlovdir:
- Dastlabki sp² panjarani saqlash
- Yuqori sifatli grafen nanovaraqlarini ishlab chiqarish
- Ishlab chiqarish miqyosini ishonchli oshirish
Xulosa qilib aytganda, Hummers usuli kimyoviy oʻzgartirishga ustuvor ahamiyat bersa, ultratovushli suyuq fazali eksfoliatsiya tuzilmani saqlash va yuqori sifatli grafen nanovaraqlarini ishlab chiqarishga qaratilgan.
3-mm sonotrodli 200W ultratovush qurilmasi UP200S yordamida suvdagi grafit tangachasining ultratovush-mexanik eksfoliatsiyasini koʻrsatuvchi, yuqori tezlikda olingan kadrlar ketma-ketligi (a dan f gacha). Strelkalar ajralish (eksfoliatsiya) joyini va hosil boʻlgan yoriqqa kirayotgan kavitatsiya pufakchalarini koʻrsatadi.
(tadqiqot va rasmlar: © Tyurnina et al. 2020
Toʻgʻri yoʻlni tanlash: saqlashmi yoki oʻzgartirishmi?
Oddiy savol eng yaxshi usulni belgilaydi:
Sizga kimyoviy oʻzgartirilmagan, nuqsonsiz grafen kerakmi – yoki funksionallashtirilgan grafen oksidimi?
Suyuq fazali eksfoliatsiya panjarani saqlash va qatlamlararo kuchlarni yumshoq tarzda yengishga qaratilgan.
Hummers usuli kislorod guruhlari va nuqsonlarni kiritib, kimyoviy xususiyatlarni ataylab oʻzgartiradi; ultratovush esa asosan tuzilmani himoyalashdan koʻra dispersiyalashni yaxshilaydi.
Bu farq yakuniy grafenning xossalari va qoʻllanish imkoniyatlariga kuchli taʼsir qiladi.
UIP16000hdT sanoat sonikatori katta hajmdagi materialga ishlov berishda eksfoliatsiya va nanodispersiyalash uchun
Nega ultratovushli eksfoliatsiya sanoat grafeni uchun ustunlikka ega
Odatiy eksfoliatsiya yondashuvlariga qaraganda, ultratovushli suyuq fazali eksfoliatsiya samaradorlik, mahsulot sifati va ishlab chiqarish miqyosini sanoat darajasigacha oshirish imkoniyatining kam uchraydigan uygʻunligini taklif etadi.
Uning eng muhim afzalliklaridan biri eksfoliatsiyaning yuqori chiqimidir. Optimallashtirilgan ishlov berish sharoitlarida ultratovushli kavitatsiya grafen varaqlarini grafitdan nihoyatda yuqori samaradorlik bilan ajrata oladi va koʻpincha asosan bir qatlamli material olishga erishadi. Bu foydalanishga yaroqli grafenni faqat juda oz miqdorda hosil qiladigan mexanik eksfoliatsiyaga nisbatan sezilarli yaxshilanishdir.
Bir xillik yana bir hal qiluvchi omildir. Kavitatsiya jarayonini puxta boshqarish mumkinligi sababli hosil boʻlgan grafen varaqlari odatda bir xil qalinlik va morfologiyaga ega boʻladi. Bunday takrorlanuvchanlik material xususiyatlarining barqarorligi mahsulotning ishlash koʻrsatkichlariga bevosita taʼsir qiladigan sanoat qoʻllanmalari uchun zarurdir.
Ishlab chiqarish miqyosini oshirish imkoniyati ultratovushli ishlov berishni yanada ajratib turadi. Laboratoriya stakanida ishlaydigan jarayonni tajriba-sanoat miqyosiga, keyin esa sanoatda oqim ichidagi ishlab chiqarishga oʻtkazish mumkin. Uzluksiz ultratovushli oqim reaktorlari katta hajmdagi grafit dispersiyasiga nazorat qilinadigan va takrorlanadigan sharoitlarda ishlov berish imkonini beradi, bu esa texnologiyani tijoriy jihatdan amaliy qiladi.
Jarayonni boshqarish qoʻshimcha moslashuvchanlik beradi. Amplituda, kiritiladigan ultratovush quvvati, bosim, harorat va reaktorda qolish vaqti kabi parametrlarni aniq sozlash mumkin. Bu ishlab chiqaruvchilarga takrorlanuvchanlikni saqlagan holda grafen xususiyatlarini muayyan qoʻllanma talablariga moslashtirish imkonini beradi.
Nihoyat, ultratovushli suyuq fazali eksfoliatsiyani ekologik jihatdan barqarorroq erituvchi tizimlari yordamida amalga oshirish mumkin. Tarkib va moʻljallangan qoʻllanmaga qarab, etanol asosidagi tizimlar, ionli suyuqliklar yoki hatto suvli muhitlardan foydalanish mumkin; bu kuchli oksidlovchi kimyoviy yoʻllarga nisbatan ekologik va meʼyoriy talablar nuqtayi nazaridan afzalliklar beradi.
Nega Hielscher zondli sonikatorlari grafen eksfoliatsiyasi uchun ideal
Hielscher Ultrasonics grafenga ishlov berish uchun maxsus moslashtirilgan toʻliq texnologik platformani taqdim etadi.
Asosiy afzalliklarga quyidagilar kiradi:
- zondli ultratovush (ultratovush vannasida ishlov berishga qaraganda ancha samaraliroq)
- qoʻlda ushlanadigan va stol usti tizimlaridan 24/7 ishlaydigan sanoat reaktorlarigacha miqyosni oshirish imkoniyati
- amplituda, quvvat va bosimni aniq boshqarish
- uzluksiz ishlash uchun mustahkam, sanoat talablariga mos konstruksiya
Partiyali va oqim ichidagi ishlov berish: laboratoriyadan zavodgacha
Hielscher tizimlari ham partiyali, ham oqim ichidagi ishlov berishni qoʻllab-quvvatlaydi va tadqiqotdan ishlab chiqarishga uzluksiz oʻtish imkonini beradi.
Partiyali ultratovush bilan ishlov berishni joriy etish oson va u laboratoriya tadqiqotlari, tarkiblarni ishlab chiqish hamda kichik miqyosdagi grafen ishlab chiqarish uchun ayniqsa mos keladi. U moslashuvchanlik va parametrlarni tez optimallashtirish imkonini beradi, shu sababli jarayonni ishlab chiqishning dastlabki bosqichlarida ideal hisoblanadi.
Biroq sanoat miqyosidagi ishlab chiqarish uchun odatda oqim ichidagi ishlov berish afzal koʻriladi. Bu konfiguratsiyada grafit dispersiyasi ultratovushli oqim hujayrasi reaktori orqali uzluksiz haydaladi. Bu kavitatsiya kuchlarining bir tekis taʼsirini taʼminlab, barqaror eksfoliatsiya sifati va katta hajmdagi materialga ishlov berish unumdorligini beradi. Bosim ostida ishlatilishi mumkin boʻlgan reaktorlar bilan birgalikda qoʻllanilganda, kavitatsiya intensivligini yanada oshirish va shu orqali eksfoliatsiya samaradorligi hamda unumdorligini koʻpaytirish mumkin.
Hielscher tizimlarining modulli tuzilishi korxonalarga stol usti miqyosidagi tajribalardan boshlash va asosiy texnologik platformani oʻzgartirmasdan toʻliq uzluksiz, 24/7 ishlaydigan sanoat ishlab chiqarishigacha kengayish imkonini beradi.
Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish quvvati haqida tasavvur beradi:
| Partiya hajmi | Hajmiy oqim tezligi | Tavsiya etilgan qurilmalar |
|---|---|---|
| 0,5–1,5mL | n.a. | VialTweeter |
| 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 |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | kattaroq | quyidagi qurilmalardan tashkil topgan klaster: UIP16000hdT |
Grafendan tashqari: 2D materiallar («ksenlar») uchun ultratovush
Ultratovushli eksfoliatsiya faqat grafen bilan cheklanmaydi.
U grafenning bir qatlamli 2D analoglari boʻlgan ksenlarni ishlab chiqarishda ham keng qoʻllaniladi, jumladan:
- Borofen (va borofen nanotasmalar / borofen oksidi)
- MXenlar (2D oʻtish metallari karbidlari, nitridlari, karbonitridlari)
- Vismuten (elektrokataliz va biologik mosligi bilan ajralib turadi)
- Silitsen (grafenga oʻxshash 2D kremniy)
Aynan shu kavitatsiya mexanizmi ultratovushni koʻplab qatlamli 2D materiallar uchun ishlab chiqarish miqyosini oshirishga eng mos yoʻllardan biriga aylantiradi.
UIP2000hdT sonikatori grafenning sanoat sintezi uchun
Adabiyotlar / Manbalar
- 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 beriladigan savollar
Grafenni nima shu qadar oʻziga xos qiladi?
Grafen koʻpincha maʼlum boʻlgan eng yupqa va eng mustahkam material sifatida taʼriflanadi. Ammo uning haqiqiy qimmati atom tuzilmasining favqulodda xossalarga aylanishida namoyon boʻladi.
- Nihoyatda yuqori mexanik mustahkamlik
Grafenning choʻzilishdagi mustahkamligi poʻlatnikidan 200 baravargacha yuqori deb baholanadi. Bu uni yengil va yuqori mustahkamlikdagi materiallar uchun ideal nomzodga aylantiradi – ayniqsa har bir grammga toʻgʻri keladigan samaradorlik muhim boʻlgan sanoat tarmoqlarida. - Favqulodda elektr oʻtkazuvchanlik
Grafen elektr tokini hatto misdan ham yaxshiroq oʻtkazadi. Bu tezroq, kichikroq va samaraliroq elektronika, jumladan egiluvchan elektr sxemalari va oʻta yupqa komponentlar uchun imkoniyatlar ochadi. - Yuksak issiqlik oʻtkazuvchanlik
Grafen issiqlikni nihoyatda yaxshi oʻtkazadi – hatto olmosdan ham yaxshiroq. Bu uni elektronikada issiqlikni tarqatish, issiqlikni boshqarish tizimlari va ilgʻor energetik qurilmalar uchun juda qimmatli qiladi. - Yuqori optik shaffoflik
Mustahkamligi va oʻtkazuvchanligiga qaramay, grafen deyarli shaffofdir. Bu uni shaffof oʻtkazuvchan plyonkalar, optik komponentlar va ilgʻor displey texnologiyalari uchun mos qiladi.
Nega grafen koʻplab sanoat tarmoqlari uchun «platforma materiali» hisoblanadi?
Grafen mexanik mustahkamlik, elektr oʻtkazuvchanlik, issiqlik xossalari va optik shaffoflikni oʻziga xos tarzda birlashtirgani uchun u bitta tor qoʻllanish sohasi bilan cheklanmaydi. Aksincha, u butun texnologiya tarmoqlarini takomillashtirishga qodir platforma materiali boʻlib xizmat qiladi.
- Elektronikada grafen oʻta yupqa, egiluvchan va yuqori samarali komponentlarni ishlab chiqish imkonini beradi. Tadqiqotchilar uni keyingi avlod tranzistorlari, shaffof oʻtkazuvchan plyonkalar, quyosh elementlari va yorugʻlik chiqaruvchi qurilmalarga kiritish imkoniyatlarini oʻrganmoqda. Zaryad tashuvchilarining favqulodda yuqori harakatchanligi uni ayniqsa kichraytirilgan va yuqori tezlikdagi elektron tizimlar uchun jozibador qiladi.
- Energiya saqlash sohasida grafenning yuqori elektr oʻtkazuvchanligi va termik barqarorligi akkumulyatorlar va superkondensatorlarning ishlash koʻrsatkichlarini yaxshilashga yordam beradi. Grafenni oʻz ichiga olgan qurilmalar yuqoriroq energiya zichligi, tezroq zaryadlanish va yaxshilangan siklik barqarorlikni namoyon qilishi mumkin – bular elektr transporti va qayta tiklanuvchi energiya tizimlari uchun hal qiluvchi parametrlardir.
- Grafen kompozit materiallarni ham sezilarli darajada yaxshilaydi. Polimerlar, metallar yoki keramikaga qoʻshilganda, hatto oz miqdori ham mexanik mustahkamlik, bikrlik va issiqlik oʻtkazuvchanlikni oshirishi mumkin. Bu grafen bilan mustahkamlangan kompozitlarni aerokosmik komponentlar, avtomobil konstruksiyalari va ilgʻor qurilish materiallari uchun jozibador qiladi.
- Biotibbiy va biomuhandislik qoʻllanmalarida grafen sirtining sozlanadigan kimyoviy xususiyatlari va biologik mosligi undan dori yetkazib berish tizimlari, biosensorlar va toʻqima muhandisligi karkaslarida foydalanish imkonini beradi. Bu xossalar ilgʻor diagnostika va davolash texnologiyalari uchun yoʻllar ochadi.
Hielscher Ultrasonics yuqori samarali ultratovushli gomogenizatorlarni laboratoriya oʻlchamidan sanoat oʻlchamigacha ishlab chiqaradi.