مقالة منهجية

تركيب نانوفلويدات الجرافين مع توزيعات حجم رقائق يمكن التحكم فيها

DOI:

10.3791/59740

⸱

يوليو 17, 2019

 , 
1Department of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم تقديم طريقة لتوليف nanofluids الجرافين مع توزيعات حجم رقائق يمكن التحكم فيها.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم تقديم طريقة لتوليف nanofluids الجرافين مع توزيعات حجم رقائق يمكن التحكم فيها. يمكن الحصول على رقائق الجرافين النانوية عن طريق تقشير الجرافيت في المرحلة السائلة، ويستخدم وقت التقشير للسيطرة على الحدود الدنيا لتوزيعات حجم رقائق الجرافين النانوية. يتم استخدام الطرد المركزي بنجاح للسيطرة على الحدود العليا لتوزيعات حجم الجسيمات النانوية. والهدف من هذا العمل هو الجمع بين التقشير والطرد المركزي للسيطرة على توزيعات حجم رقائق الجرافين النانوية في حالات التعليق الناتجة.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الطرق التقليدية المستخدمة لتجميع nanofluids الجرافين غالبا ما تستخدم sonication لتفريق مسحوق الجرافين1 في السوائل، وقد ثبت sonication لتغيير توزيع حجم الجسيمات النانوية الجرافين2. منذ الموصلية الحرارية من الجرافين يعتمد على طول رقاقة3،4، وتوليف nanofluids الجرافين مع توزيعات حجم رقائق يمكن التحكم فيها أمر حيوي لتطبيقات نقل الحرارة. وقد تم تطبيق الطرد المركزي الخاضع للرقابة بنجاح على تشتت الجرافين السائل المقشر لفصلالمعلقات إلى كسور مع أحجام رقائق متوسط مختلفة 5،6. سرعات المحطة الطرفية المختلفة المستخدمة في الطرد المركزيتؤدي إلى أحجام مختلفة الجسيمات تسوية الحرجة 7. ويمكن استخدام سرعة المحطة الطرفية للقضاء على جسيمات الجرافين النانوية الكبيرة8.

في الآونة الأخيرة، تم إدخال أساليب يمكن التحكم فيها الحجم المستخدمة لتجميع الجرافين عن طريقتقشير المرحلة السائلة للتغلب على المشاكل الأساسية التي تواجهها الطرق التقليدية 9،10،11، 12و13 . وقد ثبت أن تقشير المرحلة السائلة من الجرافيت وسيلة فعالة لإنتاج تعليق الجرافين14،15،16،وتبين الآلية الأساسية أن المعلمات العملية ترتبط الحد الأدنى لتوزيعات حجم جسيمات الجرافين النانوية. تم تصنيع نانوسوائل الجرافين بواسطة تقشير السائل من الجرافيت بمساعدة المواد السطحية17. في حين يمكن التحكم في الحدود الدنيا لتوزيع حجم الجسيمات النانوية الجرافين عن طريق ضبط المعلمات أثناء التقشير، يتم إيلاء اهتمام أقل للحدود العليا لتوزيع حجم الجسيمات النانوية الجرافين.

والهدف من هذا العمل هو وضع بروتوكول يمكن استخدامه لتجميع السوائل النانوية الجرافين مع توزيعات حجم رقائق يمكن التحكم فيها. لأن التقشير هو المسؤول فقط عن الحد الأدنى لحجم رقائق الجرافين النانوية الناتجة، يتم إدخال الطرد المركزي إضافية للسيطرة على الحد الأعلى لحجم نانوفليكس الجرافين الناتجة. غير أن الطريقة المقترحة ليست خاصة بالجرافين ويمكن أن تكون مناسبة لأي مركبات أخرى ذات طبقات لا يمكن توليفها باستخدام الأساليب التقليدية.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تقشير الجرافيت في مرحلة سائلة

  1. إعداد الكواشف
    1. في قارورة مسطحة القاع الجافة، إضافة 20 غرام من الكحول البولي فينيل (PVA)، ثم إضافة 1000 مل من الماء المقطر.
      ملاحظة: إذا لم تتم معالجة التعليق على نحو يرضي، يمكن تكرار الخطوة للحصول على تعليق إضافي.
    2. تدور القارورة برفق حتى يذوب PVA بالكامل.
      تحذير: PVA ضارة بالبشر; وبالتالي، ينبغي استخدام القفازات الواقية والأقنعة الجراحية.
    3. أضف 50 غ من مسحوق الجرافيت إلى قارورة القاع المسطح، وندور بلطف على القارورة حتى يتفرق مسحوق الجرافيت تمامًا في التعليق.
    4. نقل 500 مل من التعليق الناتج إلى كوب 500 مل.
    5. وضع الكأس تحت خلاط القص، ووضع الكأس بالقرب من وسط وعاء الخلط لمنع تشكيل دوامة.
      ملاحظة: جميع الكواشف الكيميائية المستخدمة هي من الدرجة التحليلية.
  2. إعداد المعدات
    1. خفض رئيس خلط إلى أدنى موقف لها (30 ملم من الطائرة الأساسية).
    2. جعل حمام الماء عن طريق ملء 5000 مل الكأس مع درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية) المياه ووضع 500 مل الكأس في الحمام. تغيير الماء كل 30 دقيقة.
  3. تقشير
    1. بدء خلاط وزيادة السرعة تدريجيا إلى 4500 دورة في الدقيقة. مزيج في هذه السرعة لمدة 120 دقيقة.
    2. قم بإجراء خطوة التقشير خمس مرات لمدة خمس مرات محددة مسبقًا: 40 دقيقة و60 دقيقة و80 دقيقة و100 دقيقة و120 دقيقة. يحدد وقت الخلط الحد الأدنى للحجم الجانبي لرقائق الجرافين النانوية.
    3. جمع تعليق بعد كل خطوة تقشير. كل خطوة تقشير توليد تعليق 500 مل. قم بتسمية كل تعليق مع وقت التقشير لمزيد من العلاج.
    4. طرد مركزي التعليق التي تم جمعها في 140 × ز لمدة 45 دقيقة لإزالة الجرافيت غير مقشر.
    5. جمع أعلى 80٪ من supernatant من كل أنبوب الطرد المركزي لخطوة الطرد المركزي إضافية.

2- الطرد المركزي

  1. الطرد المركزي التعليق الناتج في 8,951 × ز لمدة 45 دقيقة.
  2. جمع الجزء العلوي 50٪ من supernatant في أنبوب الطرد المركزي، وتسمية العينة مع عدد.
  3. إعادة تدوير الرواسب في الجزء السفلي من أنبوب الطرد المركزي من الخطوة 2.2. إضافة PVA / كاشف المياه المعدة في الخطوة 1-1-1 إلى الرواسب ويهز الأنبوب بقوة باليد حتى يتم تفريق الرواسب بشكل جيد في التعليق.
  4. طرد مركزي التعليق في 8,951 × ز لمدة 45 دقيقة; جمع 80٪ العلوي لمزيد من القياسات.
  5. كرر خطوة الطرد المركزي المذكورة أعلاه أربع مرات مع أربع سرعات الطرد المركزي مختلفة: 5,035 × ز, 2,238 × ز,560 × ز,و 140 × ز. تحدد سرعة الطرد المركزي الحد الجانبي العلوي لحجم رقائق الجرافين النانوية.
    ملاحظة: يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتاً هنا.

3- قياسات تركيز السوائل النانوية الناتجة عن ذلك

  1. الحصول على أطياف الامتصاص على طول موجة من 660 نانومتر باستخدام الأشعة فوق البنفسجية المرئية (UV-Vis) مطيافية.
    1. استخدام محلول PVA/المياه المعد في الخطوة 1-1-1 لمعايرة مطياف الأشعة فوق البنفسجية-Vis؛ تعيين تركيزات PVA / المياه إلى 0٪.
    2. أضف تعليق PVA/water إلى خلية عينة جافة نظيفة بطول مسار يبلغ 10 مم واحصل على قراءة باستخدام برنامج الشركة المصنعة. انقر فوق الزر الحصول على للحصول على الرسم البياني لنتائج القياس وحفظ النتائج.
    3. كرر الخطوة 3.1.2 لكل من العينات المختلفة التي تم إعدادها في الخطوة 2.5.
      ملاحظة: يجب تنظيف خلية العينة بعناية بالماء المقطر وتجفيفها قبل استخدامها في كل مرة.
  2. تحديد وزن الجرافين في التعليق الناتج.
    1. فراغ تصفية تعليق عينة 100 مل باستخدام غشاء النايلون مع حجم المسام من 0.2 م.
    2. غسل فيلم الغشاء مع ما يقرب من 1000 مل من الماء. كرر هذه الخطوة ثلاث مرات حتى يتم غسل جميع المواد الصلبة من الغشاء.
    3. تحديد كتلة المياه المغسولة مع توازن دقيق عالي الدقة للحصول على وزن المواد الصلبة في تعليق 100 مل.
      ملاحظة: تشمل الأوزان كل من وزن رقائق الجرافين النانوية والبوليمرات PVA.
    4. تحليل المياه مع تحليل قياس الجاذبية الحرارية (TGA)18 لتحديد تركيز PVA.
    5. حساب قيم معامل الانقراض المتوسط للنظام المستقر بـ PVA:
      figure-protocol-1
      حيث A هو امتصاص تقاس في 660 نانومتر باستخدام الأشعة فوق البنفسجية-فيس مطيافية، وأنا هو طول المسار سافر بواسطة ضوء الأشعة فوق البنفسجية أثناء القياس؛ العلاقة بين الامتصاص A وتركيز الجرافين CG خطية. معامل الانقراض هو منحدر المنحنى المرسوم للامتصاص A كدالة لتركيز الجرافين CG. عندما يتم تحديد معامل الانقراض ، يمكن تحديد CG عن طريق الامتصاص A.

4. ضبط تركيز السوائل النانوية الناتجة

  1. فراغ تصفية المعلقات باستخدام غشاء النايلون مع حجم المسام من 0.2 م.
  2. تجفيف الغشاء في درجة حرارة الغرفة لأكثر من 12 ساعة.
  3. في وقت لاحق، شطف الفيلم بالماء منزوع الأيونات الساخنة.
  4. تجفيف الماء منزوع الأيونات تحت فراغ لمدة 24 ساعة للحصول على النانوشيتات الجرافين.
    ملاحظة: يبلغ معدل إنتاج الجرافين حوالي 1 ملغم/مل. إذا كان التركيز المطلوب أقل من هذا، فمن السهل الحصول عليه فقط عن طريق إضافة PVA / الماء. إذا كان التركيز المطلوب أعلى من 1٪، ثم عملية التجفيف ضرورية. هنا، ونحن تبين حالة مع التركيز المطلوب من 2٪.
  5. إضافة محلول PVA / المياه أو ورقة نانوية الجرافين لضبط التركيز.
  6. وإذا كان التركيز المطلوب أقل من معدل الإنتاج، يضاف محلول PVA/water المعد في الخطوة 1-1-1 للحصول على التركيز المطلوب.

5. قياس توزيعات الحجم مع تشتت الضوء الديناميكي

  1. قم بتشغيل محلل الجسيمات النانوية واضبط الكاشف على تسمية C. ضع تعليق العينة على لوحة الاختبار.
  2. افتح برنامج نافذة التحكم correlator.
  3. انقر فوق مربع أقل قيود غير سالبة: تمرير متعددة في القائمة.
  4. تعيين الوقت المنقضي إلى 2 دقيقة.
  5. حدد الماء كنوع المذيبات.
  6. تغيير قطر الكاشف إلى 100 نانومتر.
  7. انقر فوق زر الاختبار للحصول على القراءة وحفظ النتائج.
  8. كرر الخطوات 5.1 إلى 5.7 لكل من العينات التي تم إعدادها بعد الخطوة 4.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يمكن التحقق من وجود صفائح الجرافين النانوية من خلال تقنيات مميزة مختلفة. ويبين الشكل 1 نتائج قياس الأشعة فوق البنفسجية -Vis لمختلف توزيعات حجم الرقائق التي ينتجها البروتوكول المذكور أعلاه. ذروة امتصاص الأطياف التي تم الحصول عليها في الطول الموجي من 270 نانومتر هو دليل على رقائق الجرافين. الامتصاصات المختلفة تتوافق مع تركيزات مختلفة. ويتوافق أقل امتصاص لوحظ مع أعلى سرعة الطرد المركزي. الأطياف تؤكد بقوة أن الجرافين موجود.

ويمكن استخدام النطاق D والنطاق 2D من مطياف ر...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

لقد اقترحنا منهجية لتوليف nanofluids الجرافين مع توزيعات حجم رقائق يمكن التحكم فيها. وتجمع هذه الطريقة بين إجراءين: التقشير والطرد المركزي. التقشير يتحكم في الحد الأدنى لحجم الجسيمات النانوية، والسيطرة على الطرد المركزي الحد الأعلى لحجم الجسيمات النانوية.

على الرغم من أننا استخدمنا تقشير الجرافيت في المرحلة السائلة لإنتاج جسيمات الجرافين النانوية، ينبغي النظر في التعديلات التالية على البروتوكول. وينبغي النظر في معلمات تقشير إضافية (مثل سرعة الدوار، وتركيز الجرافيت، واستخدام المواد الخافضة للتو...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد دعم هذا العمل المؤسسة الوطنية لعلوم الطبيعة في الصين (المنحة رقم 21776095)، وبرنامج قوانغتشو الرئيسي للعلوم والتكنولوجيا (المنحة رقم 201804020048)، ومختبر قوانغدونغ الرئيسي لتكنولوجيا الطاقة النظيفة (المنحة رقم 2008A060301002). نشكر ليتبوب (www.letpub.com) على مساعدتها اللغوية أثناء إعداد هذه المخطوطة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
دورقالصين جيانغسو مينغتاي معدات التعليم المحدودة500 مل
دورقالصين جيانغسو مينغتاي معدات التعليم المحدودة5000 مل
المياه منزوعة الأيوناتقوانغتشو Yafei معدات معالجة المياه المحدودةمن الدرجة التحليلية
Shanghai Puchun Co.، Ltd.JEa10001
مرشح غشاءالصين تيانجين جينتنغ معدات التجربة المحدودة0.2 ميكرون
مسحوق الجرافيتتيانجين دينغكي الكاشف الكيميائي المحدودةقفازات اليد الصف التحليلي
الصين جيانغسو مينغتاي معدات التعليم المحدودة
مختبر خلاط القصشنغهاي عينة ومصنع نموذجjrj-300
قارورة طويلة العنق مسطحالقاع الصين جيانغسو مينغتاي معدات التعليم المحدودة1000 مل
محلل الجسيمات النانويةHORIBA، Ltd.SZ-100Z
PVAشنغهاي Yingjia الصناعية التنمية المحدودة1788مقياس
الطيف الضوئي رامانالتحليلي HORIBA، Ltd.Horiba LabRam 2
المجهر الإلكتروني الماسحZeiss Co.، Ltd.LEO1530VPقناع
SEM الجراحيالصين جيانغسو مينغتاي معدات التعليم المحدودةللاستخدام لمرة
محلل القياس الحراريNETZSCH الألمانية المحدودة.NETZSCH TG 209 F1 LibraTGA تحليل
مجهر إلكتروني نقلاليابان Electron Optics Co.، Ltd.JEM-1400plusTEM
UV-Vis مقياس الطيفالضوئي Agilent Technologies، Inc. + BB2: B18Varian Cary 60

جرب محرر HTML الاحترافي عبر الإنترنت < / p>

التوازن الإلكتروني الصف واحدة الحراري شركة

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sadeghinezhad, E., et al. A comprehensive review on graphene nanofluids: Recent research, development and applications. Energy Conversion and Management. 111, 466-487 (2016).
  2. Wang, W., et al. Highly Efficient Production of Graphene by an Ultrasound Coupled with a Shear Mixer in Supercritical CO2. Industrial & Engineering Chemistry Research. 57 (49), 16701-16708 (2018).
  3. Cao, H. Y., Guo, Z. X., Xiang, H., Gong, X. G. Layer and size dependence of thermal conductivity in multilayer graphene nanoribbons. Physics Letters A. 376 (4), 525-528 (2012).
  4. Yang, N., et al. Design and adjustment of the graphene work function via size, modification, defects, and doping: a first-principle theory study. Nanoscale Research Letters. 12, (2017).
  5. Khan, U., et al. Size selection of dispersed, exfoliated graphene flakes by controlled centrifugation. Carbon. 50 (2), 470-475 (2012).
  6. Smith, R. J., King, P. J., Wirtz, C., Duesberg, G. S., Coleman, J. N. Lateral size selection of surfactant-stabilised graphene flakes using size exclusion chromatography. Chemical Physics Letters. 531, 169-172 (2012).
  7. Galvin, K. P., Pratten, S. J., Nicol, S. K. Dense medium separation using a teetered bed separator. Minerals Engineering. 12 (9), 1059-1081 (1999).
  8. Cai, C. J., Sang, N. N., Shen, Z. G., Zhao, X. H. Facile and size-controllable preparation of graphene oxide nanosheets using high shear method and ultrasonic method. Journal of Experimental Nanoscience. 12 (1), 247-262 (2017).
  9. Chen, L. X., et al. Oriented graphene nanoribbons embedded in hexagonal boron nitride trenches. Nature Communications. 8, (2017).
  10. Fan, T. J., et al. Controllable size-selective method to prepare graphene quantum dots from graphene oxide. Nanoscale Research Letters. 10, 1-8 (2015).
  11. Oikonomou, A., et al. Scalable bottom-up assembly of suspended carbon nanotube and graphene devices by dielectrophoresis. Physica Status Solidi-Rapid Research Letters. 9 (9), 539-543 (2015).
  12. Liu, Y., Zhang, D., Pang, S. W., Liu, Y. Y., Shang, Y. Size separation of graphene oxide using preparative free-flow electrophoresis. Journal of Separation Science. 38 (1), 157-163 (2015).
  13. Cui, C. N., Huang, J. T., Huang, J. H., Chen, G. H. Size separation of mechanically exfoliated graphene sheets by electrophoresis. Electrochimica Acta. 258, 793-799 (2017).
  14. Sun, Z. Y., et al. High-yield exfoliation of graphite in acrylate polymers: A stable few-layer graphene nanofluid with enhanced thermal conductivity. Carbon. 64, 288-294 (2013).
  15. Sun, Z. Y., et al. Amine-based solvents for exfoliating graphite to graphene outperform the dispersing capacity of N-methyl-pyrrolidone and surfactants. Chemical Communications. 50 (72), 10382-10385 (2014).
  16. Du, B. L., Jian, Q. F. Size controllable synthesis of graphene water nanofluid with enhanced stability. Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures. 27 (1), 87-96 (2019).
  17. Tao, H. C., et al. Scalable exfoliation and dispersion of two-dimensional materials - an update. Physical Chemistry Chemical Physics. 19 (2), 921-960 (2017).
  18. Phiri, J., Gane, P., Maloney, T. C. High-concentration shear-exfoliated colloidal dispersion of surfactant-polymer-stabilized few-layer graphene sheets. Journal of Materials Science. 52 (13), 8321-8337 (2017).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Graphene NanofluidsGraphene ExfoliationCentrifugation ControlSize Distribution ControlLiquid Phase ExfoliationGraphene Nanoflake SynthesisUltraviolet Visible SpectroscopyRaman Spectroscopy AnalysisTransmission Electron MicroscopyScanning Electron Microscopy

مقالات ذات صلة