Оборудование для ультразвукового диспергирования графена — это надежный метод получения графеновых слоев из графитовых хлопьев или частиц

Описание продукта

Ультразвуковое диспергирование — надежный метод получения графеновых слоев из графитовых хлопьев или частиц. Другие распространенные методы диспергирования, такие как шаровые мельницы, роликовые мельницы или смесители высокого сдвига, связаны с применением агрессивных реагентов и растворителей. Технология ультразвукового диспергирования может эффективно решить эту проблему и готовить графеновые материалы

Детали продукта

ультразвуковое оборудование для диспергирования графена
Благодаря известным особым свойствам графита, были разработаны несколько методов его подготовки. Графен получают из оксида графена путем сложных химических процессов, включающих добавление очень сильных окислителей и восстановителей. Графен, полученный в таких жестких химических условиях, часто содержит большое количество дефектов.
Ультразвуковые волны являются проверенным альтернативным методом производства больших количеств высококачественного графена. Графит добавляют в смесь разбавленной органической кислоты, спирта и воды, после чего смесь подвергают ультразвуковому излучению. Кислота действует как «молекулярный клин», разделяя листы графена от исходного графита. Благодаря этому простому процессу можно получить большие количества недиспергированного, высококачественного графена, диспергированного в воде д.

Введение в графен

Диаграмма молекулярной структуры графена

Графен представляет собой двумерный углеродный наноматериал, состоящий из атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, напоминающей структуру пчелиных сот, за счет орбиталей sp²-гибридизации. Тонкие слои атомов углерода в графене образуют графит через неполярные взаимодействия и обладают огромной площадью поверхности.
Это самый тонкий материал во Вселенной и одновременно самый прочный из известных материалов. Он обладает чрезвычайно высокой собственной подвижностью носителей заряда при минимальной эффективной массе (нулевой) и может распространяться на расстояния в микрометровом диапазоне при комнатной температуре без рассеяния. Графен способен выдерживать плотность тока на шесть порядков выше, чем у меди, демонстрируя рекордную теплопроводность и твердость, является непроницаемым, сочетая противоречивые свойства, такие как хрупкость и пластичность. Перемещение электронов в графене описывается уравнениями типа Дирака, что позволяет изучать релятивистские квантовые явления в лабораторных условиях.

Принцип ультразвукового диспергирования графена
Ультразвуковое оборудование для дисперсии графена использует кавитационный эффект ультразвука для рассеивания агрегированных частиц. Оно предполагает размещение требуемой суспензии частиц (жидкости) в сильном ультразвуковом поле и обработку ее с соответствующей амплитудой ультразвука. Под дополнительными воздействиями, такими как кавитация, высокая температура, высокое давление, микротечение и сильная вибрация, расстояние между молекулами постоянно увеличивается, в конечном итоге приводя к разрыву молекул и образованию однослойных структур. Этот продукт особенно эффективен для диспергирования наноматериалов (таких как углеродные нанотрубки, графен, диоксид кремния и т.д.).

Цель дисперсии графена
В природе существует множество графитовых материалов. Графитовая пластина толщиной 1 миллиметр содержит примерно 3 миллиона слоев графена. Один слой графита называется графеном, который не существует самостоятельно в свободном состоянии, а всегда присутствует в виде графитовых хлопьев, состоящих из нескольких слоев графена, соединенных вместе. Из-за слабых межслойных сил между графитовыми листами их можно постепенно отделять друг от друга под действием внешней силы, получая таким образом однослойный графен толщиной всего в один атом углерода.

Распространенные методы диспергирования
--Метод микромеханического отшелушивания: напрямую отрывайте хлопья графена от более крупных кристаллов с помощью клейкой ленты, повторяя этот процесс многократно. Путем трения материала о термически расширенный или содержащий дефекты пиролитический графит на поверхности объемного графита образуются хлопьевидные кристаллы, содержащие однослойный графен.
Недостатки: Низкий выход графена, маленькая площадь, трудности с точным контролем размера, низкая эффективность, непригодность для массового производства.

--Химическое осаждение из паровой фазы: заключается во введении одного или нескольких углеродсодержащих газообразных веществ (обычно низкоуглеродные органические газы) в вакуумный реактор, где высокая температура вызывает разложение и карбонизацию углеродсодержащего газа (как правило, низкоуглеродных органических газов). В результате этого процесса происходит рост аллотропной формы углерода на поверхности подложки.
Недостатки: Гексагональная ячеистая кристаллическая структура графена препятствует его полной графитизации, что приводит к более низкому качеству по сравнению с методами микромеханической экзольтации. Высокие затраты и строгие требования к оборудованию ограничивают массовое производство графена. Кроме того, необходимость использования катализаторов снижает чистоту графена.

--Эпитаксиальный метод роста графена на кристаллах: Один из подходов заключается в нагревании монокристалла 6H-SiC для удаления кремния, что позволяет вырастить графен эпитаксиальным способом на поверхности кристалла SiC. Слой графена контактирует с кремниевым слоем, а его проводимость зависит от подложки. Другой подход использует следовые углеродные компоненты в металлических монокристаллах, при котором высокотемпературный отжиг в сверхвысоком вакууме приводит к тому, что углеродные элементы внутри металлического монокристалла выпадают в виде графена на его поверхности.

Недостатки: Толщина графеновой пленки неравномерна и трудно поддается контролю. Полученный графен плотно прилипает к подложке, что затрудняет его отделение и может повлиять на свойства графена. Кроме того, процесс роста требует сверхвысокого вакуума и высоких температур, что создает чрезвычайно жесткие условия и требует сложного оборудования, делая невозможным массовое управляемое производство графена.

--Метод окисления-восстановления для графита: Окисление графита для получения оксида графена обычно включает обработку графита сильными кислотами. Существует три основных метода получения оксида графена: метод Броди, метод Штуденмайера и метод Хаммерса. В методе Хаммерса требуется ультразвуковая обработка для диспергирования графена.

Ультразвуковая подготовка графена
Когда интенсивный ультразвук воздействует на жидкость, звуковые волны, передаваемые в жидкой среде, вызывают циклы высокого давления (сжатие) и низкого давления (разрежение), скорость которых зависит от ультразвуковой частоты. В цикле низкого давления интенсивный ультразвук образует крошечные вакуумные пузырьки или полости внутри жидкости. Когда эти пузырьки достигают размера, при котором они больше не могут поглощать энергию, они резко разрушаются в цикле высокого давления. Это явление известно как кавитация. Во время имплозии достигаются чрезвычайно высокие локальные температуры (около 5000 К) и давление (около 2000 атм). Имплозия кавитационных пузырьков также приводит к скорости жидких струй до 280 м/с. Физические и химические изменения, вызванные ультразвуковой кавитацией, могут применяться при получении графена.

Ультразвуковая дисперсия и рассеяние

Кавитационная сонохимия обеспечивает уникальные взаимодействия между энергией и веществом. Температура внутри пузырьков достигает приблизительно 5000 К, а давление составляет около 1000 бар, при этом скорости нагревания и охлаждения превышают 10^10 К/с. Эти особые условия позволяют получить доступ к множеству химических реакций, которые обычно недоступны, что открывает возможность синтезировать различные необычные наноструктурированные материалы.

Прямое экстрагирование графена
Качество графена, полученного прямым ультразвуковым экстрагированием, значительно выше, чем у полученного методом Хаммера. Ультразвуковую обработку можно использовать для производства графена в органических растворителях, водных растворах ПАВ или ионных жидкостях. Это означает, что не требуется использование сильных окислителей или восстановителей; графен может быть получен путем экстрагирования в ультразвуковых условиях. Изображения АСМ раствора с концентрацией 1 мг/мл оксида графена показывают равномерно тонкие слои (1 нм), которые всегда присутствуют. В этих хорошо экзфолиированных образцах оксида графена отсутствуют хлопья графена толще 1 нм или тоньше 1 нм. Следовательно, можно сделать вывод, что при этих условиях достигается полное экзфолиирование оксида графена в индивидуальные листы оксида графена.

Изображение в бесконтактном режиме АСМ

Ультразвуковое диспергирующее оборудование может использоваться для диспергирования и гомогенизации материалов, таких как графен, чернильные покрытия; эмульгирования нефти; извлечения активных ингредиентов из традиционной китайской медицины; разрушения клеток и балластной воды, дезинфекции; ускорения химических реакций сырья и т.д.

Характеристики продукта следующие: