Summary
שיטה לסינתזה ננו-מזהים עם הפצות בגודל פתיתים בשליטה מוצגת.
Abstract
שיטה לסינתזה ננו-מזהים עם הפצות בגודל פתיתים בשליטה מוצגת. Nanoflakes גראפן ניתן להשיג על ידי קילוף גרפיט בשלב נוזלי, ואת הזמן הקילוף משמש כדי לשלוט במגבלות הנמוכות של הפצות הגראפן nanoflakes גודל. צנטריפוגה משמש בהצלחה לשליטה במגבלות העליונות של הפצות הננו-חלקיק גודל. המטרה של עבודה זו היא לשלב קילוף וצנטריפוגה כדי לשלוט על הפצות הגראפן nanoflake גודל ההפצות הנובעות.
Introduction
שיטות מסורתיות משמש לסנתז nanofluids לעתים קרובות להשתמש sonication לפזר אבקת גראפן1 ב נוזלים, ו sonication הוכח לשנות את התפלגות גודל של חלקיקים גראפן2. מאז מוליכות תרמית של גראפן תלוי באורך הפתיתים3,4, סינתזה של גראפן nanofluids עם הפצות לשליטה בגודל פתיתים הוא חיוני ליישומי העברת חום. צנטריפוגה מבוקרת הוחל בהצלחה על התכשיר הנוזלי למריחה על הפחת כדי להפריד בין השבולים לשברים בגדלים שונים של פתיתים מסוגים5,6. מהירויות מסופים שונות המשמשות בצנטריפוגה להוביל לגדלים קריטיים שונים של חלקיקים7. מהירות מסוף יכול לשמש כדי לחסל את חלקיקי גראפן גדול8.
לאחרונה, שיטות לשליטה בגודל המשמש לסנתז גראפן באמצעות קילוף שלב נוזלי הוכנסו כדי להתגבר על הבעיות הבסיסיות נתקל שיטות קונבנציונאלי9,10,11, 12,13. קילוף שלב נוזלי של גרפיט הוכח להיות דרך יעילה לייצר השעיות גראפן14,15,16, ואת המנגנון הבסיסי מראה כי הפרמטרים התהליך קשורים ה המגבלות הנמוכות יותר של הפצות גראפן חלקיקים בגודל. הננו-מזהים הגראפן היו מסונתז על ידי קילוף נוזלי של הגרפיט בעזרת חומרים מסורמים17. בעוד המגבלות הנמוכות יותר של התפלגות הננו-חלקיק בגודל גראפן יכול להיות נשלט על ידי התאמת הפרמטרים במהלך קילוף, פחות תשומת לב משולם למגבלות העליונות של התפלגות ננו-חלקיק בגודל גראפן.
המטרה של עבודה זו היא לפתח פרוטוקול שניתן להשתמש בו כדי לסנתז את הננו-מזהי הגראפן עם הפצות בגודל הפתיתים הניתנים לשליטה. בגלל הקילוף הוא אחראי רק בגודל נמוך יותר של nanoflakes הנוצרים וכתוצאה מכך, צנטריפוגה נוספים מוצגת כדי לשלוט על מגבלת הגודל העליון של הננו-האגמים המתקבלים. עם זאת, השיטה המוצעת אינה ספציפית ל-גראפן ויכולה להיות מתאימה לכל תרכובות שכבות אחרות שאינן יכולות להיות מסונתז בשיטות מסורתיות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. קילוף גרפיט בשלב נוזלי
- הכנת ריאגנטים
- בבקבוקון יבש שטוח לגמרי, להוסיף 20 גרם של אלכוהול פוליוויניל (PVA), ולאחר מכן להוסיף 1,000 mL של מים מזוקקים.
הערה: אם ההשעיה לא טופלה לשביעות רצון, ניתן היה לחזור על השלב כדי לקבל השעיה נוספת. - מערבולת עדינה של הבקבוקון עד שpva מתמוסס לחלוטין.
התראה: PVA מזיק לבני אדם; לכן, יש להשתמש בכפפות מגן ומסכות כירורגיות. - הוסף 50 גרם של אבקת גרפיט לבקבוקון התחתון שטוח, ומערבולת בעדינות את הבקבוקון עד אבקת גרפיט במלואו מפזר ההשעיה.
- העברת 500 mL של ההשעיה שהתקבל לגביע 500 mL.
- מניחים את הגביע תחת מערבל הטיה, מיקום הגביע ליד מרכז כלי ערבוב כדי למנוע היווצרות של מערבולת.
הערה: כל הריאגנטים הכימי משמש כיתה אנליטית.
- בבקבוקון יבש שטוח לגמרי, להוסיף 20 גרם של אלכוהול פוליוויניל (PVA), ולאחר מכן להוסיף 1,000 mL של מים מזוקקים.
- התקנת ציוד
- הנמך את ראש הערבוב למיקומו הנמוך ביותר (30 מ"מ מהמטוס הבסיסי).
- לעשות אמבט מים על ידי מילוי כימית 5,000 mL עם טמפרטורת החדר (25 ° c) מים ולמקם 500 mL הגביע באמבטיה. . להחליף את המים כל 30 דקות
- קילוף עור
- להתחיל את המיקסר ולהגדיל את המהירות בהדרגה כדי 4,500 rpm; לערבב במהירות זו עבור 120 דקות.
- בצע את הקילוף חמש פעמים חמש פעמים מראש: 40 דקות, 60 דקות, 80 דקות, 100 min, ו-120 min. זמן ערבוב קובע את הגבול התחתון של גודל הרוחב של הגרפן nanoflakes.
- לאסוף את השעיות אחרי כל הקילוף. כל שלב הקילוף יפיק מתלה 500 mL. התווית כל השעיה עם זמן הקילוף לטיפול נוסף.
- צנטריפוגה את ההשעיה שנאסף ב 140 x g עבור 45 דקות כדי להסיר את הגרפיט ללא הפילינג.
- לאסוף את העליון 80% של supernatant מכל צינורית צנטריפוגה עבור צעד צנטריפוגה נוסף.
2. צנטריפוגה
- צנטריפוגה את ההשעיה שהתקבל ב 8,951 x g עבור 45 דקות.
- אסוף את 50 העליון של הסופרנטנט בשפופרת הצנטריפוגה, ותייג את המדגם במספר.
- מחזר את המשקע בתחתית שפופרת הצנטריפוגה משלב 2.2. להוסיף את PVA/מים מגיב מוכן בשלב 1.1.1 המשקעים ולטלטל את הצינור במרץ ביד עד המשקע הוא התפזרו היטב ההשעיה.
- צנטריפוגה את ההשעיה ב 8,951 x g עבור 45 דקות; לאסוף את 80 העליון% עבור מדידות נוספות.
- חזור על הצעד הנ ל צנטריפוגה ארבע פעמים עם ארבע מהירויות צנטריפוגה שונות: 5,035 x g, 2,238 x g, 560 x g, ו 140 x g. מהירות צנטריפוגה קובע את מגבלת הגודל העליון לרוחב של nanoflakes גראפן.
הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.
3. מדידות הריכוז של הננו כתוצאה
- להשיג ספקטרום ספיגת באורך גל של 660 ננומטר באמצעות אולטרה סגול-גלוי (UV-Vis) ספקטרוסקופיית.
- השתמש בפתרון PVA/water המוכן בשלב 1.1.1 כדי לכייל ספקטרומטר UV-Vis; הגדר את ריכוזי ה-PVA/מים ל-0%.
- הוסף את PVA/מים ההשעיה לתא נקי יבש לדוגמה עם אורך הנתיב של 10 מ"מ ולקבל בדיקה באמצעות תוכנת היצרן. לחץ על לחצן השג כדי לקבל את גרף תוצאות המדידה ולשמור את התוצאות.
- חזור על שלב 3.1.2 עבור כל אחד מהדגימות השונות שהוכנו בשלב 2.5.
הערה: יש לנקות את התא לדוגמה בזהירות עם מים מזוקקים ולהתייבש לפני השימוש בכל פעם.
- לקבוע את משקל הגראפן בהשעיה המתקבלת.
- מסנן ואקום 100 mL ההשעיה לדוגמה באמצעות קרום ניילון עם גודל נקבובית של 0.2 μm.
- לשטוף את הסרט קרום עם כ 1,000 מ ל של מים; חזור על שלב זה שלוש פעמים עד שכל המוצקים נשטפים מהקרום.
- לקבוע את מסת המים שטף עם דיוק גבוהה מיקרו מאזן כדי להשיג את המשקל של המוצקים ב 100 mL ההשעיה.
הערה: המשקולות כוללות הן את המשקל של משקל הננו והפולימרים של PVA. - לנתח את המים עם ניתוח תרמוגרבימטרי (TGA)18 כדי לקבוע את ריכוז pva.
- חשב את ערכי מקדם ההשמדה הממוצע של מערכת ה-PVA שיוצב:
כאשר הספיגה נמדדת ב-660 ננומטר באמצעות ספקטרוסקופיית UV-Vis, ואני הוא אורך הדרך שנסע על ידי אור uv במהלך המדידה; מערכת היחסים בין הספיגה והריכוז הגראפן CG הוא ליניארי. מקדם ההכחדה ε הוא השיפוע של העיקול המותווה עבור הספיגה A כפונקציה של הריכוז הגראפן CG. כאשר מקדם ההכחדה ε נקבע, ג ' י יכול להיקבע על ידי ספיגה A.
4. התאמת הריכוז של הננו-לואידים הנובעים
- ואקום-לסנן את השעיות באמצעות קרום ניילון עם גודל נקבובית של 0.2 μm.
- מייבשים את הקרום בטמפרטורת החדר במשך יותר מ -12 שעות.
- לאחר מכן, לשטוף את הסרט עם מים מוכי חם.
- יבש את המים האלה מתחת ואקום עבור 24 שעות כדי להשיג את הננו-מצעים הגראפן.
הערה: קצב הייצור של הגראפן הוא כ 1 מ"ג/mL. אם הריכוז הרצוי נמוך יותר מאשר זה, אז קל להשיג אותו רק על ידי הוספת PVA/מים. אם הריכוז הרצוי גבוה מ-1%, התהליך הייבוש הוא הכרחי. כאן, אנו מדגימים מצב עם הריכוז הרצוי של 2%. - מוסיפים את התמיסה PVA/מים או את הננו-לוחות כדי לכוונן את הריכוז.
- אם הריכוז הרצוי הוא פחות מקצב הייצור, להוסיף את הפתרון PVA/מים מוכן בשלב 1.1.1 כדי לקבל את הריכוז הרצוי.
5. מדידת גודל הפצות עם פיזור אור דינאמי
- הפעל את מנתח ננו-חלקיק ולהתאים את הגלאי לתווית C. מניחים את ההשעיה לדוגמה בלוח הבדיקה.
- פתח את תוכנת חלון הבקרה של התוכנה.
- לחץ על ריבוע שאינו מוגבל לפחות שלילי: מעבר מרובה בתפריט.
- הגדר את הזמן שחלף ל-2 דקות.
- לבחור מים כסוג הממס.
- לשנות את קוטר הגלאי כדי 100 ננומטר.
- לחץ על לחצן הבדיקה כדי לקבל את הבדיקה ולשמור את התוצאות.
- חזור על שלבים 5.1-5.7 עבור כל אחד מהדגימות שהוכנו לאחר שלב 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
קיומו של הננו-מצעים של גראפן יכול להיות מאומת על ידי טכניקות מאפיינים שונים. איור 1 מציג את תוצאות מדידת UV-Vis עבור הפצות שונות בגודל פתיתים המיוצרים על ידי הפרוטוקול הנ ל. שיא ספיגת הספקטרום המתקבל באורך גל של 270 ננומטר היא עדות לפתיתי הגראפן. ספיגה שונה מתאימה לריכוזים שונים. הספיגה הנמוכה ביותר נצפתה מתאימה למהירות הצנטריפוגה הגבוהה ביותר. הספקטרום מאשר בתוקף. שגרפן קיים
הלהקה D ואת הלהקה 2D של ספקטרוסקופיית ראמאן יכול לשמש כדי לקבוע את עובי הפתיתים של nanoflakes הגראפן. איור 2 מציג את ניתוח ראמאן עבור nanoflakes שנוצר. D-הלהקה של הספקטרום ראמאן קשור לאטומי הפחמן של גראפן sp3 שיכול לעזור להבדיל בין הגרפיט הראשוני לבין ה-גראפן. באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן, התגלתה הכוונות של פסגות D-band להגדיל עם הגדלת מהירות צנטריפוגה. באותו הזמן, האינטנסיביות D-band נמוך, כי הננו-מצעים המיוצרים יכול להיות ללא פגם.
פיזור אור דינמי משמש לעתים קרובות כדי לחקור את הפצות ננו-חלקיק size של הפיזור. במהלך הניסויים, יותר מ 3,000 חלקיקים של כל מדגם נסרקו כדי ללמוד את התפלגות הגודל. קוטר הצלחת D50 השתמשו כדי לייצג את קוטר ממוצע של הפיזור שהתקבל. איור 3 מציג את התפלגות הגודל של ההשעיה כתוצאה מוכן באמצעות מהירויות צנטריפוגה שונות.
תמונת TEM היא אחת הדרכים האינסטינקטיבית ביותר כדי להבדיל את הננו-מדפים של גראפן ומבני ננו גרפיט. ניתן לקבוע את מספר השכבה בקלות מתמונת TEM. איור 4 מציג את השידור אלקטרון מיקרוסקופ (TEM) תוצאות עבור nanoflakes וכתוצאה מכך, ברור מראה כי גראפן מופק. איור 5 מציג את תוצאות סריקת המיקרוסקופיה אלקטרון (SEM), ומראה שקילוף העור מוצלח.
כמו פיזור גראפן כתוצאה יש שתי הפצות גודל ברור, הקוטר ממוצע של כל התפלגות גודל הוצגה באיור 6 כדי להראות את האפקט של השלב צנטריפוגה. האיור מראה כי הצעד הצנטריפוגה עבד רק על חלקיקים עם קטרים ממוצע גדול יותר מ 1,000 ננומטר. איור 6 מראה את גודלי הפתיתים הרעים של שתי הפסגות המצויים בהתפלגות הגודל, מאמתים את ההנחה שצנטריפוגה משפיעה רק על שבבים גדולים.
איור 1. UV-Vis הכחדה ספקטרום אחרי צנטריפוגה במהירויות צנטריפוגה שונות.
אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
. איור 2 ראמאן ספקטרום של אבקות גרפיט הראשונית את nanoflakes centrifuged השיג באמצעות מהירויות צנטריפוגה שונות.
אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
. איור 3 גודל הפצות של השעיות שהתקבלו באמצעות מהירויות צנטריפוגה שונות.
אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4. התוצאות TEM עבור nanoflakes שהתקבל.
הדגימות היו מוכנים עם 4500 סל ד במהירויות רוטור, ואת המהירות צנטריפוגה היה 8,951 x g. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
. איור 5 תוצאות ה-SEM עבור הננו-אגמים הפילינג.
המדגם היה מוכן באמצעות הקילוף זמן של 60 דקות ו מהירות רוטור של 4500 rpm. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
. איור 6 ממוצע מידות הפתיתים של שתי פסגות בהתפלגות הגודל.
הפצות הגודל של ההשעיה כתוצאה מראה שתי פסגות. הגרף מראה כי צנטריפוגה עובד רק על חלקיקים עם קטרים ממוצע גדול יותר מ 1,000 ננומטר. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
יש לנו הציע מתודולוגיה עבור סינתזה הננו nanofluids עם הפצות לשליטה בגודל פתיתים. השיטה משלבת שתי הליכים: קילוף וצנטריפוגה. הקילוף שולטת בגודל נמוך יותר של חלקיקי חלקיקים, ו צנטריפוגה שולטת הגבול בגודל העליון של חלקיקי חלקיקים.
למרות שאנו המועסקים קילוף בשלב נוזלי של גרפיט כדי לייצר חלקיקים גראפן, השינויים הבאים בפרוטוקול צריך להיחשב. פרמטרים נוספים קילוף (למשל, מהירות רוטור, ריכוז גרפיט, ואת השימוש של אחרים משתמשים) צריך להיחשב כדי לקבל את הגבול בגודל נמוך יותר של ננו-מצעים הגראפן. במהלך צנטריפוגה, מהירות המסוף היא חיונית כדי לקבוע את גודל החלקיקים הקריטי המתפשר, אשר יכול לשמש כדי לשלוט על הגבול העליון של הפצות ננו-חלקיק גודל. מהירות המסוף, הנקבעת על-ידי המהירות הצנטריפוגה, צריכה להיות מגוונת עם סוגים שונים של צנטריפוגות. השימוש בנוזל על-קריטי, כמו גם בשיטות סיוע אחרות, יכול לשמש להגברת היעילות של השיטה המוצעת.
השיטה המוצגת בעבודה זו נשענת על מספר טכניקות (למשל, UV-Vis ספקטרוסקופיה) כדי למדוד את הריכוז, ואת גודל הפתיתים לא היה נשלט היטב. בנוסף, השיטה המתוארת בעבודה זו תגדיל את עלות הייצור. אמנם שיטה זו עשויה להיות מספיקה כדי לייצר השעיות גראפן, שכבת הגראפן לא ניתן לשלוט כדי להשיג העברת חום יעיל יותר.
משמעות השיטה המוצעת היא שאורך הפתיתים כוללים התפלגות בגודל צר. שיטות מסורתיות, כגון sonication, משנות את גודל ההפצות של ה-גראפן nanoflakes. זה מוביל להשפעות לא ידועות על השימוש של nanoflakes של העברת החום יישומים.
כמו טכנולוגיית הייצור של גראפן באמצעות קילוף בשלב נוזלי במהירות גדל, סופר בשלב נוזלי ושות2 ו אולטרסאונד יכול להיות מוחל על מערבל הטיה כדי לעזור הפקת ננו מצעים קטנים יותר. בנוסף, ניתן להחיל שיטה זו גם כדי ליצור תרכובות שכבות אחרות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
. למחברים אין מה לגלות
Acknowledgments
עבודה זו נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע הטבע של סין (גרנט No. 21776095), מדעי גואנגג'ואו וטכנולוגיה מפתח תוכנית (גרנט No. 201804020048), ו גואנג-דונג המעבדה לטכנולוגיה אנרגיה נקייה (גרנט No. 060301002). אנו מודים LetPub (www.letpub.com) על הסיוע הלשוני שלה במהלך הכנת כתב היד הזה.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Beaker | China Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd. | 500 mL | |
| Beaker | China Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd. | 5000 mL | |
| Deionized water | Guangzhou Yafei Water Treatment Equipment Co., Ltd. | analytical grade | |
| Electronic balance | Shanghai Puchun Co., Ltd. | JEa10001 | |
| Filter membrane | China Tianjin Jinteng Experiment Equipments Co., Ltd. | 0.2 micron | |
| Graphite powder | Tianjin Dengke chemical reagent Co., Ltd. | analytical grade | |
| Hand gloves | China Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd. | ||
| Laboratory shear mixer | Shanghai Specimen and Model Factory | jrj-300 | |
| Long neck flat bottom flask | China Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd. | 1000 ml | |
| Nanoparticle analyzer | HORIBA, Ltd. | SZ-100Z | |
| PVA | Shanghai Yingjia Industrial Development Co., Ltd. | 1788 | analytical grade |
| Raman spectrophotometer | HORIBA, Ltd. | Horiba LabRam 2 | |
| Scanning electron microscope | Zeiss Co., Ltd. | LEO1530VP | SEM |
| Surgical mask | China Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd. | for one-time use | |
| Thermal Gravimetric Analyzer | German NETZSCH Co., Ltd. | NETZSCH TG 209 F1 Libra | TGA analysis |
| Transmission electron microscope | Japan Electron Optics Laboratory Co., Ltd. | JEM-1400plus | TEM |
| UV-Vis spectrophotometer | Agilent Technologies, Inc.+BB2:B18 | Varian Cary 60 | |
Try the professional online HTML editor |
|||
References
- Sadeghinezhad, E., et al. A comprehensive review on graphene nanofluids: Recent research, development and applications. Energy Conversion and Management. 111, 466-487 (2016).
- 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).
- 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).
- 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).
- Khan, U., et al. Size selection of dispersed, exfoliated graphene flakes by controlled centrifugation. Carbon. 50 (2), 470-475 (2012).
- 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).
- Galvin, K. P., Pratten, S. J., Nicol, S. K. Dense medium separation using a teetered bed separator. Minerals Engineering. 12 (9), 1059-1081 (1999).
- 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).
- Chen, L. X., et al. Oriented graphene nanoribbons embedded in hexagonal boron nitride trenches. Nature Communications. 8, (2017).
- Fan, T. J., et al. Controllable size-selective method to prepare graphene quantum dots from graphene oxide. Nanoscale Research Letters. 10, 1-8 (2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Tao, H. C., et al. Scalable exfoliation and dispersion of two-dimensional materials - an update. Physical Chemistry Chemical Physics. 19 (2), 921-960 (2017).
- 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).
