Nghiền siêu âm bột nano nhiệt điện

• Nghiên cứu đã chỉ ra rằng nghiền siêu âm có thể được sử dụng thành công để chế tạo các hạt nano nhiệt điện và có tiềm năng điều chỉnh bề mặt của các hạt.
• Các hạt được nghiền siêu âm (ví dụ: hợp kim nền Bi₂Te₃) cho thấy kích thước giảm đáng kể và tạo ra các hạt nano có kích thước nhỏ hơn 10µm.
• Hơn nữa, xử lý siêu âm tạo ra những thay đổi đáng kể về hình thái bề mặt của các hạt, qua đó cho phép chức năng hóa bề mặt của các hạt micro và nano.

Hạt nano nhiệt điện

Vật liệu nhiệt điện chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng dựa trên hiệu ứng Seebeck và Peltier. Nhờ đó, nhiệt năng khó sử dụng hoặc gần như bị thất thoát có thể được tận dụng hiệu quả cho các ứng dụng hữu ích. Vì vật liệu nhiệt điện có thể được tích hợp vào các ứng dụng mới như pin nhiệt sinh học, làm mát nhiệt điện trạng thái rắn, thiết bị quang điện tử, phát điện trong lĩnh vực vũ trụ và ô tô, giới nghiên cứu và ngành công nghiệp đang tìm kiếm các kỹ thuật đơn giản và nhanh chóng để sản xuất các hạt nano nhiệt điện thân thiện với môi trường, có tính kinh tế và ổn định ở nhiệt độ cao. Nghiền siêu âm cũng như tổng hợp từ dưới lên (kết tinh bằng siêu âm) là hai hướng đi đầy triển vọng để nhanh chóng sản xuất hàng loạt vật liệu nano nhiệt điện.

Thiết bị nghiền siêu âm

Để giảm kích thước hạt của bột bitmut telluride (Bi₂Te₃), magie silicide (Mg₂Si) và silic (Si), hệ thống siêu âm cường độ cao UIP1000hdT (1kW, 20kHz) đã được sử dụng trong một hệ bố trí với cốc hở. Trong tất cả các thử nghiệm, biên độ được đặt ở 140µm. Bình chứa mẫu được làm mát trong bể nước, nhiệt độ được kiểm soát bằng cặp nhiệt điện. Do xử lý siêu âm trong bình hở, việc làm mát được sử dụng để ngăn các dung dịch nghiền (ví dụ: ethanol, butanol hoặc nước) bay hơi.

(a) Sơ đồ bố trí thí nghiệm. (b) Thiết bị nghiền siêu âm. nguồn: Marquez-Garcia và cộng sự, 2015.

Chỉ sau 4h nghiền siêu âm hợp kim Bi₂Te₃ đã thu được một lượng đáng kể các hạt nano có kích thước từ 150 đến 400 nm. Ngoài việc giảm kích thước xuống phạm vi nano, xử lý siêu âm còn làm thay đổi hình thái bề mặt. Các ảnh SEM b, c và d trong hình bên dưới cho thấy các cạnh sắc của hạt trước khi nghiền siêu âm đã trở nên nhẵn và tròn sau khi nghiền siêu âm.

Phân bố kích thước hạt và ảnh SEM của hợp kim nền Bi2Te3 trước và sau khi nghiền siêu âm. a – Phân bố kích thước hạt; b – Ảnh SEM trước khi nghiền siêu âm; c – Ảnh SEM sau khi nghiền siêu âm trong 4 h; d – Ảnh SEM sau khi nghiền siêu âm trong 8 h.
nguồn: Marquez-Garcia và cộng sự, 2015.

Để xác định liệu việc giảm kích thước hạt và biến đổi bề mặt có chỉ đạt được bằng nghiền siêu âm hay không, các thí nghiệm tương tự đã được thực hiện bằng máy nghiền bi năng lượng cao. Kết quả được trình bày trong Hình 3. Có thể thấy rõ rằng các hạt có kích thước 200–800 nm được tạo ra bằng cách nghiền bi trong 48 h (lâu gấp 12 lần so với nghiền siêu âm). Ảnh SEM cho thấy các cạnh sắc của các hạt hợp kim Bi₂Te₃ về cơ bản vẫn không thay đổi sau khi nghiền. Những kết quả này cho thấy các cạnh nhẵn là đặc điểm riêng của nghiền siêu âm. Khả năng tiết kiệm thời gian của nghiền siêu âm (4 h so với 48 h nghiền bi) cũng rất đáng kể.

Phân bố kích thước hạt và ảnh SEM của Mg2Si trước và sau khi nghiền siêu âm. (a) Phân bố kích thước hạt; (b) Ảnh SEM trước khi nghiền siêu âm; (c) Ảnh SEM sau khi nghiền siêu âm trong 50% PVP–50% EtOH trong 2 h.
nguồn: Marquez-Garcia và cộng sự, 2015.

Marquez-Garcia và cộng sự (2015) kết luận rằng nghiền siêu âm có thể phân rã bột Bi₂Te₃ và Mg₂Si thành các hạt nhỏ hơn, có kích thước từ 40 đến 400 nm, cho thấy đây là một kỹ thuật tiềm năng để sản xuất hạt nano ở quy mô công nghiệp. So với nghiền bi năng lượng cao, nghiền siêu âm có hai đặc điểm riêng:

1. 1. xuất hiện một khoảng trống trong phân bố kích thước hạt, phân tách các hạt ban đầu với các hạt được tạo ra bằng nghiền siêu âm; và
2. 2. những thay đổi đáng kể về hình thái bề mặt thể hiện rõ sau khi nghiền siêu âm, cho thấy khả năng điều chỉnh bề mặt của các hạt.

Kết luận

Nghiền siêu âm các hạt cứng hơn đòi hỏi xử lý siêu âm dưới áp suất để tạo ra hiện tượng xâm thực mạnh. Xử lý siêu âm dưới áp suất cao (gọi là manosonication) làm tăng mạnh lực cắt và ứng suất tác dụng lên các hạt.
Một hệ thống xử lý siêu âm liên tục trên đường dòng cho phép tải lượng hạt cao hơn (huyền phù đặc như hồ), giúp cải thiện kết quả nghiền vì nghiền siêu âm dựa trên sự va chạm giữa các hạt.
Xử lý siêu âm trong một hệ thống tuần hoàn riêng biệt cho phép đảm bảo xử lý đồng đều tất cả các hạt và do đó tạo ra phân bố kích thước hạt rất hẹp.

Một ưu điểm lớn của nghiền siêu âm là công nghệ này có thể dễ dàng được mở rộng quy mô để sản xuất số lượng lớn – các hệ thống nghiền siêu âm công nghiệp mạnh mẽ có sẵn trên thị trường có thể xử lý lượng vật liệu lên đến 10m³/h.

Ưu điểm của nghiền siêu âm

• Nhanh chóng, tiết kiệm thời gian
• Tiết kiệm năng lượng
• Kết quả có khả năng tái lập
• Không cần vật thể nghiền (không cần bi hoặc hạt nghiền)
• Chi phí đầu tư thấp

Thiết bị siêu âm hiệu năng cao

Nghiền siêu âm đòi hỏi thiết bị siêu âm công suất cao. Để tạo ra lực cắt mạnh do xâm thực, biên độ và áp suất cao là yếu tố thiết yếu. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể cung cấp biên độ rất cao. Có thể dễ dàng vận hành liên tục 24/7 với biên độ lên đến 200µm. Đối với biên độ cao hơn nữa, có sẵn các đầu siêu âm được thiết kế theo yêu cầu. Khi kết hợp với các thiết bị phản ứng dòng chảy có thể tăng áp của Hielscher, hiện tượng xâm thực rất mạnh được tạo ra, nhờ đó có thể phá vỡ các liên kết giữa các phân tử và đạt được hiệu quả nghiền cao.
Độ bền chắc của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong các môi trường khắc nghiệt. Điều khiển kỹ thuật số và từ xa cùng với khả năng tự động ghi dữ liệu vào thẻ SD tích hợp đảm bảo xử lý chính xác, chất lượng có khả năng tái lập và cho phép tiêu chuẩn hóa quy trình.

Ưu điểm của thiết bị siêu âm hiệu năng cao Hielscher

• biên độ rất cao
• áp suất cao
• quy trình liên tục trên đường dòng
• thiết bị bền chắc
• mở rộng quy mô tuyến tính
• an toàn và dễ vận hành
• dễ vệ sinh