Bóc tách graphene trong nước
Bóc tách bằng siêu âm cho phép sản xuất graphene ít lớp mà không sử dụng dung môi có tính tác động mạnh, chỉ dùng nước tinh khiết. Xử lý siêu âm công suất cao tách các lớp graphene trong thời gian xử lý ngắn. Việc tránh sử dụng dung môi biến quá trình bóc tách graphene thành một quy trình xanh, bền vững.
Sản xuất graphene bằng phương pháp bóc tách trong pha lỏng
Graphene được sản xuất thương mại bằng phương pháp được gọi là bóc tách trong pha lỏng. Bóc tách graphene trong pha lỏng đòi hỏi sử dụng các dung môi độc hại, có hại cho môi trường và đắt tiền để tiền xử lý hóa học hoặc kết hợp với kỹ thuật phân tán cơ học. Để phân tán cơ học các tấm graphene, xử lý siêu âm đã được khẳng định là một kỹ thuật có độ tin cậy cao, hiệu quả và an toàn nhằm sản xuất các tấm graphene chất lượng cao với số lượng lớn ở quy mô công nghiệp hoàn chỉnh. Vì việc sử dụng dung môi có tính tác động mạnh luôn đi kèm với chi phí, sự nhiễm bẩn, quá trình loại bỏ và thải bỏ phức tạp, các lo ngại về an toàn cũng như gánh nặng môi trường, nên một phương án thay thế không độc hại và an toàn hơn mang lại lợi thế đáng kể. Do đó, bóc tách graphene bằng cách sử dụng nước làm dung môi và siêu âm công suất cao để tách cơ học các tấm graphene ít lớp là một kỹ thuật rất hứa hẹn cho sản xuất graphene xanh.
Các dung môi thông dụng thường được dùng làm pha lỏng để phân tán các tấm nano graphene bao gồm dimethyl sulfoxide (DMSO), N,N-dimethylformamide (DMF), N-methyl-2-pyrrolidone (NMP), tetramethylurea (TMU), tetrahydrofuran (THF), propylene carbonateacetone (PC), ethanol và formamide.
Là một kỹ thuật đã được ứng dụng từ lâu để bóc tách graphene ở quy mô thương mại, xử lý siêu âm cho phép sản xuất graphene chất lượng cao, có độ tinh khiết cao với chi phí thấp. Vì bóc tách graphene bằng siêu âm có thể được mở rộng quy mô hoàn toàn tuyến tính đến bất kỳ thể tích nào, nên có thể dễ dàng triển khai sản xuất hàng loạt graphene với sản lượng vảy graphene chất lượng cao.
UIP2000hdT là thiết bị phân tán siêu âm mạnh mẽ có công suất 2kW để bóc tách và phân tán graphene.
Bóc tách graphene bằng siêu âm trong nước
Tyurnina và cộng sự (2020) đã nghiên cứu ảnh hưởng của biên độ và cường độ siêu âm đối với các dung dịch nước tinh khiết–graphit và quá trình bóc tách graphene thu được. Trong nghiên cứu, họ sử dụng Hielscher UP200S (200W, 24kHz). Bóc tách bằng siêu âm sử dụng nước được áp dụng như một quy trình một bước để tách graphene ít lớp. Thời gian xử lý ngắn 2h là đủ để sản xuất graphene ít lớp trong một hệ thống xử lý siêu âm dùng cốc thủy tinh hở.
Một chuỗi khung hình tốc độ cao (từ a đến f) minh họa quá trình bóc tách cơ học bằng siêu âm một vảy graphit trong nước bằng UP200s, một thiết bị siêu âm 24 kHz có đầu dò siêu âm 3-mm. Các mũi tên chỉ vị trí tách lớp (bóc tách), với các bong bóng xâm thực xâm nhập vào khe tách.
© Tyurnina et al., 2020
Tối ưu hóa quá trình bóc tách graphene bằng siêu âm
Hệ thống siêu âm được Tyurnina và cộng sự (2020) sử dụng có thể dễ dàng được tối ưu hóa để tăng hiệu quả và bóc tách nhanh hơn bằng cách sử dụng thiết bị phản ứng siêu âm kín ở chế độ dòng chảy qua. Xử lý siêu âm trên đường dòng cho phép xử lý siêu âm toàn bộ nguyên liệu graphit đồng đều hơn đáng kể: khi dung dịch graphit / nước được đưa trực tiếp vào không gian giới hạn của vùng xâm thực siêu âm, toàn bộ graphit được xử lý siêu âm đồng đều, tạo ra sản lượng cao các vảy graphene chất lượng cao.
Các hệ thống Hielscher Ultrasonics cho phép kiểm soát chính xác mọi thông số xử lý quan trọng như biên độ, thời gian / thời gian lưu, năng lượng đầu vào (Ws/mL), áp suất và nhiệt độ. Thiết lập các thông số siêu âm tối ưu mang lại sản lượng, chất lượng và hiệu suất tổng thể cao nhất.
Siêu âm thúc đẩy quá trình bóc tách graphene như thế nào
Khi sóng siêu âm công suất cao được truyền vào huyền phù gồm bột graphit và nước hoặc bất kỳ dung môi nào, các lực cơ học do siêu âm như lực cắt lớn, dòng chảy rối mạnh và chênh lệch áp suất, nhiệt độ lớn tạo ra các điều kiện có năng lượng cao. Những điều kiện có năng lượng cao này là kết quả của hiện tượng xâm thực âm.
Đọc thêm về xâm thực siêu âm tại đây!
Siêu âm công suất cao khởi phát quá trình giãn nở của bột graphit, do chất lỏng bị ép vào giữa các lớp graphene cấu thành graphit. Các lực cắt do siêu âm tách từng tấm graphene và phân tán chúng thành các vảy graphene trong dung dịch. Để graphene ổn định lâu dài trong nước, cần có chất hoạt động bề mặt.
Cơ chế bóc tách graphene bằng siêu âm trong pha lỏng để bóc tách graphene.
Nghiên cứu và hình ảnh của Tyurnina và cộng sự, 2021.
Thiết bị siêu âm hiệu suất cao để bóc tách graphene
Các tính năng thông minh của thiết bị siêu âm Hielscher được thiết kế để bảo đảm vận hành đáng tin cậy, kết quả có thể tái lập và sự thuận tiện cho người dùng. Có thể dễ dàng truy cập và điều chỉnh các cài đặt vận hành thông qua menu trực quan, được truy cập qua màn hình cảm ứng màu kỹ thuật số và chức năng điều khiển từ xa bằng trình duyệt. Do đó, tất cả các điều kiện xử lý như năng lượng thuần, tổng năng lượng, biên độ, thời gian, áp suất và nhiệt độ đều được tự động ghi lại trên thẻ SD tích hợp. Điều này cho phép bạn xem lại và so sánh các lần xử lý siêu âm trước đó, đồng thời tối ưu hóa quá trình bóc tách graphene để đạt hiệu suất cao nhất.
Các hệ thống Hielscher Ultrasonics được sử dụng trên toàn thế giới để sản xuất các tấm graphene và oxit graphene chất lượng cao. Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher có thể dễ dàng hoạt động ở biên độ cao trong chế độ vận hành liên tục (24/7/365). Có thể dễ dàng tạo liên tục biên độ lên đến 200µm bằng các đầu dò siêu âm tiêu chuẩn (đầu dò / đầu khuếch đại siêu âm và CascatrodesTM). Đối với biên độ cao hơn nữa, có các đầu dò siêu âm được tùy chỉnh. Nhờ kết cấu bền chắc và nhu cầu bảo trì thấp, các hệ thống bóc tách bằng siêu âm của chúng tôi thường được lắp đặt cho các ứng dụng tải nặng và trong môi trường có yêu cầu khắt khe.
Các thiết bị xử lý siêu âm Hielscher để bóc tách graphene đã được lắp đặt trên toàn thế giới ở quy mô thương mại. Hãy liên hệ với chúng tôi ngay để trao đổi về quy trình sản xuất graphene của bạn! Đội ngũ giàu kinh nghiệm của chúng tôi rất sẵn lòng chia sẻ thêm thông tin về quy trình bóc tách, các hệ thống siêu âm và giá cả!
Để tìm hiểu thêm về tổng hợp, phân tán và chức năng hóa graphene bằng siêu âm, vui lòng nhấp vào đây:
- Sản xuất graphene
- Các tiểu phiến nano graphene
- Bóc tách graphene trong nước
- Graphene có thể phân tán trong nước
- Oxit graphene
- Xenes
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| không áp dụng | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| không áp dụng | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Hielscher Ultrasonics sản xuất các thiết bị đồng nhất hóa siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng trộn, phân tán, nhũ hóa và chiết xuất ở quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp.
Tài liệu / Tài liệu tham khảo
- 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.
Những điều cần biết
Graphene là gì?
Graphene là một đơn lớp gồm các nguyên tử cacbon liên kết sp2. Graphene có các đặc tính vật liệu độc đáo như diện tích bề mặt riêng cực kỳ lớn (2620 m2 g-1), các tính chất cơ học vượt trội với mô đun Young 1 TPa và độ bền nội tại 130 GPa, độ dẫn điện cực kỳ cao (độ linh động electron ở nhiệt độ phòng 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), độ dẫn nhiệt rất cao (trên 3000 W m K-1), đó là những tính chất quan trọng nhất. Nhờ các tính chất vật liệu vượt trội, graphene được sử dụng rộng rãi trong phát triển và sản xuất pin hiệu suất cao, pin nhiên liệu, pin mặt trời, siêu tụ điện, các hệ thống lưu trữ hydro, tấm chắn điện từ và thiết bị điện tử. Ngoài ra, graphene còn được đưa vào nhiều vật liệu nanocomposite và composite dưới dạng phụ gia gia cường, chẳng hạn trong polyme, gốm và nền kim loại. Nhờ độ dẫn điện cao, graphene là thành phần quan trọng của sơn và mực dẫn điện.
Việc điều chế nhanh chóng và an toàn graphene không có khuyết tật bằng siêu âm với thể tích lớn và chi phí thấp cho phép mở rộng ứng dụng graphene sang ngày càng nhiều ngành công nghiệp.
Graphene là một lớp cacbon có độ dày một nguyên tử, có thể được mô tả là cấu trúc graphene đơn lớp hoặc 2D (graphene đơn lớp = SLG). Graphene có diện tích bề mặt riêng cực kỳ lớn và các tính chất cơ học vượt trội (mô đun Young 1 TPa và độ bền nội tại 130 GPa), có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao, độ linh động hạt tải điện cao, tính trong suốt và không thấm khí. Nhờ những đặc tính vật liệu này, graphene được dùng làm phụ gia gia cường để tạo độ bền, độ dẫn điện, v.v. cho vật liệu composite. Để kết hợp các đặc tính của graphene với những vật liệu khác, graphene phải được phân tán vào hỗn hợp vật liệu hoặc được phủ lên chất nền dưới dạng màng mỏng.
Siêu âm hiệu suất cao! Danh mục sản phẩm của Hielscher bao phủ toàn bộ dải thiết bị, từ thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm nhỏ gọn, qua các thiết bị để bàn, đến các hệ thống siêu âm quy mô công nghiệp hoàn chỉnh.