Úloha ultrazvukové disperze v přípravě grafenu

Ultrazvuková disperze je spolehlivá metoda pro výrobu grafenových vrstev z grafitových vloček nebo částic. Jiné běžné disperzní techniky, jako jsou kulové mlýny, válcovny nebo míchačky s vysokým smykem, jsou náchylné k použití agresivních činidel a rozpouštědel. Ultrazvuková disperzní technologie může tento problém dobře překonat a efektivně připravit grafenové materiály.

Ultrazvuková disperze přeměňuje grafen v kapalině do dispergovaného stavu, to znamená jemné nebo ultrajemné ultrazvukové broušení pevných látek nebo tekutin v důsledku účinku ultrazvukových vibrací. Vzhledem ke specifičnosti ultrazvukového pole generovaného v kapalném médiu poskytuje ultrazvuková disperze vysoce dispergovanou jednotnou, chemicky čistou suspenzi (velikost částic menší než 1 μm).

01

Princip ultrazvukové přípravy grafenu

Ultrazvuková příprava grafenu je založena na kavitačním efektu, takže kvantová struktura uvnitř grafenu nebude zničena. Ultrazvuková kavitace generuje vysokofrekvenční amplitudy prostřednictvím ultrazvukových vln s vysokým výkonem. Vysoce výkonný ultrazvuk lze použít pro ošetření kapalin, jako je míchání, emulgování, dispergace a deaglomerace nebo broušení. Když je kapalina sonikována při vysoké intenzitě, zvukové vlny šířící se do kapalného média způsobují střídání cyklů vysokého tlaku (komprese) a nízkého tlaku (odrazu) rychlostí, která závisí na frekvenci. Ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v nízkotlakých cyklech vytvářejí malé vakuové bubliny nebo dutiny v kapalině. Když bubliny dosáhnou objemu, kdy nemohou absorbovat energii, prudce se zhroutí ve vysokotlakém cyklu. Tento jev se nazývá kavitace.

Ultrazvukové disperzní zařízení přenáší vysokofrekvenční vibrace do kapaliny a aplikace tohoto mechanického namáhání může oddělit aglomeráty grafenových částic. Při sonikaci kapalin způsobují zvukové vlny šířící se do kapalného média střídavé cykly vysokého tlaku (komprese) a nízkého tlaku (odraz). Ultrazvuková kavitace v kapalinách má za následek vysokorychlostní kapalné trysky až do 1000 km / h (asi 600 mph). Tento paprsek stlačuje kapalinu při vysokém tlaku mezi částicemi a odděluje grafen od sebe. Menší částice se urychlují kapalným paprskem a srážejí se vysokou rychlostí. Vysoce intenzivní rázová vlna generovaná vysokorychlostní kolizí nepřetržitě působí na povrch grafitového tělesa a grafit bude odrážet a generovat napětí v tahu. Když je rozbité velké množství mikrobublin, napětí v tahu mezi grafitovými vločkami se neustále zvyšuje a grafenové vločky se postupně odlupují.

02Exfoliace a disperze grafenu

Má-li být grafen použit jako materiál, musí být nejprve rovnoměrně rozptýlen ve složení. Vzhledem k hydrofobnosti grafenu je obtížné získat disperze grafenu s vysokou koncentrací bez stabilizace povrchově aktivních látek nebo dispergátorů.

Grafenové nanodesky (HNP) mohou být vyrobeny exfoliací grafitu v rozpouštědle vysoce výkonnou sonikací. Ultrazvukový exfoliovaný grafen může být funkcionalizován pomocí biopolymerů pro získání grafenu dispergovatelného ve vodě. Syntetizovaný grafen může být dále zpracován na stabilní disperze na bázi vody ultrazvukovou kavitací. Aglomerace se snadno vyskytuje, když jsou grafenové nanomateriály smíchány s kapalinami a ultrazvuková disperze může rozbít aglomerovaný grafen ve vodných a nevoných suspenzích, což může vyvést plný potenciál nanomateriálů.

Oxid grafenu je rozpustný ve vodě a může být snadno rozptýlen do stabilních koloidů. Ultrazvuková exfoliace a disperze je velmi účinná, rychlá a nákladově efektivní metoda syntézy, rozptýlení a funkcionalizace oxidu grafenu v průmyslovém měřítku. Pro kontrolu velikosti nanodesků oxidu grafenu (GO) hraje klíčovou roli metoda exfoliace. Díky svým přesně kontrolovatelným procesním parametrům je ultrazvuková exfoliace nejpoužívanější delaminační technikou pro výrobu vysoce kvalitního grafenu a oxidu grafenu.

03Ultrasonická asistovaná exfoliace v kapalné fázi

Exfoliace v kapalné fázi (LPE) je účinná metoda pro exfoliaci grafenových vloček. Hlavním principem je přidání grafitu nebo oxidu grafitu jako suroviny do specifického rozpouštědla nebo povrchově aktivní látky, aby se tepelná interkalace promíchala za vzniku roztoku předúpravy grafenu, a poté použijte ultrazvukové vlny vyzařované vysoce výkonným ultrazvukovým zařízením k odlupování grafenu z povrchu grafitu. vyvstat.

Metoda peelingu v kapalné fázi

Hlavními ovlivňujícími faktory ultrazvukem asistované exfoliace grafenu jsou ultrazvuková kavitace a vysoká smyková síla. Kavitace v procesu ultrazvukové léčby způsobuje, že grafit rozptýlený v rozpouštědle je rozdrcen a rozdrcen. Smyková síla ultrazvukových vln může způsobit, že rozpouštědlo vytvoří mikrotrysky, které narazí na povrch grafitu, což podporuje oddělení grafitových vrstev.

04Shrnutí

Vysoce výkonné ultrazvukové systémy mohou být použity pro exfoliaci, disperzi a přípravu grafenu a oxidu grafenu. Spolehlivé ultrazvukové procesory a pokročilé reaktory poskytují výkon potřebný pro zpracování grafenu, s přesně řízenými podmínkami zpracování, které umožňují, aby výsledky ultrazvukového zpracování byly přesně vyladěny na požadovaný cíl zpracování.