Summary
대조판 크기 분포와 그래핀 나노 유체를 합성하는 방법이 제시된다.
Abstract
대조판 크기 분포와 그래핀 나노 유체를 합성하는 방법이 제시된다. 그래핀 나노플레이크는 액상에서 흑연의 각질 제거에 의해 얻을 수 있으며, 각질 제거 시간은 그래핀 나노플레이크 크기 분포의 하한을 제어하는데 사용된다. 원심분리는 나노 입자 크기 분포의 상한을 제어하는 데 성공적으로 사용됩니다. 이 작업의 목적은 결과 현탁액에서 그래 핀 나노 플레이크 크기 분포를 제어하기 위해 각질 제거 및 원심 분리를 결합하는 것입니다.
Introduction
그래 핀 나노 유체를 합성하는 데 사용되는 전통적인 방법은 종종 초음파 처리를 사용하여 그래 핀 분말 1을 유체에 분산시키고 초음파 처리는 그래 핀 나노 입자2의크기 분포를 변화시키는 것으로 입증되었습니다. 그래 핀의 열 전도도는 플레이크길이 3,4에따라 달라지기 때문에 제어 가능한 플레이크 크기 분포가있는 그래 핀 나노 유체의 합성은 열 전달 응용 프로그램에 필수적입니다. 제어 된 원심 분리는 액체 각질 제거 그래 핀 분산액에 성공적으로 적용되어 현탁액을 다른평균 플레이크 크기 5,6의분획으로 분리합니다. 원심분리에 사용되는 다른 말단 속도는 다른 임계 침전 입자 크기7로이어집니다. 말단 속도는 큰 그래 핀 나노 입자8을 제거하는 데 사용될 수있다.
최근에는 액상 박리제를 통해 그래핀을 합성하는 데 사용되는 크기 조절 방법이 도입되어 종래의방법 9,10,11, 12,13. 흑연의 액체 상 각질 제거는 그래핀 현탁액14,15,16을생산하는 효과적인 방법임이 입증되었으며, 기본 메커니즘은 공정 파라미터가 과관련이 있음을 보여줍니다. 그래 핀 나노 입자 크기 분포의 낮은 한계. 그래핀 나노유체는 계면활성제(17)의 도움으로 흑연의 액체 박리에의해 합성되었다. 그래 핀 나노 입자 크기 분포의 하한은 각질 제거 동안 매개 변수를 조정하여 제어 할 수 있지만 그래 핀 나노 입자 크기 분포의 상한에 덜주의를 기울입니다.
이 작업의 목표는 제어 가능한 플레이크 크기 분포로 그래 핀 나노 유체를 합성하는 데 사용할 수있는 프로토콜을 개발하는 것입니다. 각질 제거는 생성된 그래핀 나노플레이크의 낮은 크기 한계에 대해서만 책임이 있기 때문에, 생성된 그래핀 나노플레이크의 상부 크기 한계를 제어하기 위해 추가원심분리가 도입된다. 그러나, 제안된 방법은 그래핀에 특이적이지 않으며 전통적인 방법을 사용하여 합성될 수 없는 다른 층화된 화합물에 적합할 수 있다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. 액체 상에서 흑연의 각질 제거
- 시약의 준비
- 건조하고 깨끗한 평평한 바닥 플라스크에 폴리 비닐 알코올 (PVA) 20g을 넣고 증류수 1,000 mL을 추가하십시오.
참고: 서스펜션이 만족스럽게 처리되지 않은 경우, 추가 정지를 얻기 위해 단계를 반복할 수 있다. - PVA가 완전히 녹을 때까지 플라스크를 부드럽게 돌이십시오.
주의: PVA는 인체에 해롭습니다. 따라서 보호 장갑과 수술 용 마스크를 사용해야합니다. - 평평한 바닥 플라스크에 흑연 분말 50g을 넣고 흑연 분말이 현탁액에 완전히 분산될 때까지 플라스크를 부드럽게 돌립니다.
- 생성된 서스펜션의 500 mL을 500 mL 비커로 전송합니다.
- 비커를 전단 믹서 아래에 놓고, 와류의 형성을 방지하기 위해 혼합 용기의 중심 근처에 비커를 배치합니다.
참고: 사용되는 모든 화학 시약은 분석 등급입니다.
- 건조하고 깨끗한 평평한 바닥 플라스크에 폴리 비닐 알코올 (PVA) 20g을 넣고 증류수 1,000 mL을 추가하십시오.
- 장비 설정
- 혼합 헤드를 가장 낮은 위치(기본 평면에서 30mm)로 낮춥니다.
- 실온 (25 °C) 물로 5,000 mL 비커를 채우고 500 mL 비커를 욕조에 배치하여 수조를 만듭니다. 30분마다 물을 바꿉니다.
- 벗겨짐
- 믹서를 시작하고 4,500 rpm으로 점차적으로 속도를 증가; 120 분 동안이 속도로 혼합.
- 40분, 60분, 80분, 100분, 120분, 120분: 미리 정해진 5회 동안 각질 제거 단계를 5회 수행한다. 혼합 시간은 그래핀 나노플레이크의 낮은 측면 크기 한계를 결정한다.
- 각 각질 제거 단계 후 현탁액을 수집합니다. 각 각 각질 제거 단계는 500 mL 서스펜션을 생성합니다. 각 현탁액에 각 현탁액을 각질 제거 시간으로 라벨을 부착하여 추가 처리를 하십시오.
- 수집된 현탁액을 140 x g에서 45분 동안 원심분리하여 비탁액을 제거한다.
- 각 원심분리기 튜브에서 상판의 상위 80%를 수집하여 원심분리 단계를 추가합니다.
2. 원심분리
- 45 분 동안 8,951 x g에서 결과 현탁액을 원심 분리합니다.
- 원심분리기 튜브에서 상층부의 상부 50%를 수집하고 샘플을 숫자로 라벨을 붙입니다.
- 2.2 단계에서 원심 분리관 바닥에 있는 퇴적물을 재활용합니다. 1.1.1단계에서 제조된 PVA/물 시약을 퇴적물에 넣고 침전물이 현탁액에 잘 분산될 때까지 손으로 힘차게 흔들어 줍니다.
- 45 분 동안 8,951 x g의 현탁액을 원심 분리기; 추가 측정을 위해 상위 80%를 수집합니다.
- 5,035 x g,2,238 x g,560 x g, 140 x g의 네 가지 원심 분리 속도로 위에서 언급한 원심 분리 단계를 네 번 반복합니다. 원심분리 속도는 그래핀 나노플레이크의 상부 측면 크기 한계를 결정한다.
참고: 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.
3. 결과 나노 유체의 농도 측정
- 자외선 이시광선(UV-Vis) 분광법을 사용하여 660 nm의 파장에서 흡수 스펙트럼을 얻습니다.
- UV-Vis 분광기를 교정하기 위해 1.1.1 단계로 제조된 PVA/물 용액을 사용하십시오. PVA/물 농도를 0%로 설정합니다.
- 경로 길이가 10mm인 드라이 클린 샘플 셀에 PVA/water 서스펜션을 추가하고 제조업체의 소프트웨어를 사용하여 판독을 가져옵니다. 측정 결과 그래프를 가져오고 결과를 저장하려면 얻기 버튼을 클릭합니다.
- 2.5단계에서 제조된 각각의 상이한 샘플에 대해 3.1.2단계를 반복한다.
참고: 시료 셀은 증류수로 조심스럽게 세척하고 매번 사용하기 전에 건조시켜야 합니다.
- 결과 현탁액에서 그래핀 중량을 결정합니다.
- 진공 필터 는 0.2 μm의 기공 크기의 나일론 멤브레인을 사용하여 100 mL 샘플 현탁액을 필터링합니다.
- 약 1,000 mL의 물로 멤브레인 필름을 세척; 모든 고체가 막에서 세척 될 때까지이 단계를 세 번 반복하십시오.
- 100 mL 현탁액에서 고체의 중량을 얻기 위해 고정밀 마이크로 밸런스로 세척 된 물 질량을 결정합니다.
참고 : 가중치는 그래 핀 나노 플레이크와 PVA 폴리머의 무게를 모두 포함합니다. - 열중량 분석(TGA)18로 물을 분석하여 PVA 농도를 결정합니다.
- PVA 안정화 시스템의 평균 소멸 계수 값을 계산합니다.
여기서 A는 UV-Vis 분광법을 사용하여 660 nm에서 측정된 흡광도이고, 측정 동안 UV 광에 의해 이동되는 경로 길이; 흡광도 A와 그래핀 농도 CG 사이의 관계는 선형입니다. 소멸 계수 θ는 그래핀 농도 CG의함수로서 흡광도 A에 대해 플롯된 곡선의 경사입니다. 소멸 계수 θ가 결정되면, CG는 흡광도 A에 의해 결정될 수 있다.
4. 결과 나노 유체의 농도 조정
- 공극 크기가 0.2 μm인 나일론 멤브레인을 사용하여 현탁액을 진공 여과합니다.
- 멤브레인을 실온에서 12시간 이상 건조시킵니다.
- 그 후, 뜨거운 탈이온물로 필름을 헹구십시오.
- 그래핀 나노시트를 얻기 위해 24시간 동안 진공 하에서 탈이온수를 건조시켰다.
참고 : 그래 핀의 생산 속도는 약 1 mg / mL입니다. 원하는 농도가 이보다 낮으면 PVA /물을 추가하여 쉽게 얻을 수 있습니다. 원하는 농도가 1 % 이상이면 건조 공정이 필요합니다. 여기서, 우리는 2%의 원하는 농도로 상태를 나타낸다. - PVA/물 용액 또는 그래핀 나노시트를 추가하여 농도를 조정합니다.
- 원하는 농도가 생산 속도보다 작으면 1.1.1 단계에서 제조된 PVA/물 용액을 첨가하여 원하는 농도를 얻습니다.
5. 동적 광 산란으로 크기 분포 측정
- 나노 입자 분석기를 켜고 검출기를 C 라벨로 조정합니다. 샘플 현탁액을 테스트 패널에 놓습니다.
- 상관 대조군 창 소프트웨어를 엽니다.
- 메뉴에서 비음수 구속된 최소 제곱: 여러 패스를 클릭합니다.
- 경과 시간을 2분으로 설정합니다.
- 물을 용매 유형으로 선택합니다.
- 검출기의 직경을 100 nm로 변경합니다.
- 테스트 버튼을 클릭하여 판독을 얻고 결과를 저장합니다.
- 4단계 후에 제조된 각 샘플에 대해 5.1-5.7단계를 반복한다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
그래 핀 나노 시트의 존재는 다양한 특성 기술에 의해 검증 될 수있다. 도 1은 전술한 프로토콜에 의해 생성된 다양한 플레이크 크기 분포에 대한 UV-Vis 측정 결과를 나타낸다. 270 nm의 파장에서 얻은 스펙트럼 흡광도 피크는 그래핀 플레이크의 증거이다. 다른 흡광도는 다른 농도에 해당합니다. 관찰된 가장 낮은 흡광도는 가장 높은 원심분리 속도에 해당합니다. 스펙트럼은 그래핀이 존재한다는 것을 강력하게 확인합니다.
라만 분광법의 D 밴드 및 2D 밴드는 그래핀 나노플레이크의 플레이크 두께를 결정하는데 사용될 수 있다. 도 2는 생성된 나노플레이크에 대한 라만 해석을 나타낸다. 라만 스펙트럼의 D 밴드는 초기 흑연과 그래 핀 나노 플레이크를 구별하는 데 도움이 될 수있는 그래 핀 sp3 탄소 원자와 관련이 있습니다. 라만 분광법을 사용하여 원심분리 속도가 증가함에 따라 D 밴드 피크의 강도가 증가하는 것으로 나타났습니다. 동시에, 생산되는 그래핀 나노시트는 결함이 없을 수 있기 때문에 D 밴드 강도가 낮다.
동적 광 산란은 종종 분산의 나노 입자 크기 분포를 조사하는 데 사용됩니다. 실험 동안, 각 샘플의 3,000개 이상의 나노입자를 스캔하여 크기 분포를 연구하였다. D50 접시 직경은 생성된 분산의 평균 직경을 나타내기 위해 사용되었다. 도 3은 상이한 원심분리 속도를 사용하여 제조된 결과 현탁액의 크기 분포를 나타낸다.
TEM 이미지는 그래 핀 나노 시트와 흑연 나노 구조를 구별하는 가장 본능적 인 방법 중 하나입니다. 계층 번호는 TEM 이미지에서 쉽게 확인할 수 있습니다. 도 4는 생성된 나노플레이크에 대한 투과 전자 현미경(TEM) 결과를 나타내고, 그래핀이 생성되는 것을 명확하게 나타낸다. 도 5는 스캐닝 전자 현미경(SEM) 결과를 나타내고, 각질 제거가 성공적임을 나타낸다.
생성된 그래핀 분산액은 2개의 명확한 크기 분포를 가지므로, 각 크기 분포의 평균 직경은 원심분리 단계의 효과를 나타내기 위해 도 6에 제시되었다. 이 그림은 원심분리 단계가 평균 직경이 1,000 nm보다 큰 나노 입자에서만 작동했음을 보여줍니다. 도 6은 크기 분포에 존재하는 두 피크의 평균 플레이크 크기를 나타내며 원심분리가 큰 플레이크에만 영향을 미친다는 가정을 검증합니다.
그림 1. 다른 원심분리 속도로 원심분리 후 UV-Vis 소멸 스펙트럼.
이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2. 초기 흑연 분말 및 다른 원심분리 속도를 사용하여 얻은 원심분리 된 그래 핀 나노 플레이크의 라만 스펙트럼.
이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3. 다른 원심 분리 속도를 사용하여 얻은 결과 현탁액의 크기 분포.
이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4. 생성된 나노플레이크에 대한 TEM 결과.
샘플을 4,500 rpm 로터 속도로 제조하고 원심 분리 속도는 8,951 x g였습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5. 각질 제거 된 나노 플레이크에 대한 SEM 결과.
샘플을 60 분의 각질 제거 시간과 4500 rpm의 로터 속도를 사용하여 제조하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6. 크기 분포에서 두 개의 피크의 플레이크 크기를 평균합니다.
결과 서스펜션의 크기 분포는 두 개의 피크를 표시합니다. 그래프는 원심분리가 평균 직경이 1,000nm보다 큰 나노 입자에서만 작동한다는 것을 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
우리는 제어 가능한 플레이크 크기 분포와 그래 핀 나노 유체를 합성하기위한 방법론을 제안했다. 이 방법은 각질 제거와 원심 분리의 두 가지 절차를 결합합니다. 각질 제거는 나노 입자의 낮은 크기 제한을 제어하고 원심 분리는 나노 입자의 상부 크기 제한을 제어합니다.
그래핀 나노 입자를 생산하기 위해 흑연의 액체 상 각질 제거를 사용했지만 프로토콜에 대한 다음과 같은 수정을 고려해야합니다. 추가적인 각질 제거 파라미터(예를 들어, 로터 속도, 흑연 농도 및 기타 계면활성제의 사용)는 그래핀 나노시트의 더 낮은 크기 한계를 얻기 위해 고려되어야 한다. 원심 분리 동안, 말단 속도는 나노 입자 크기 분포의 상한을 제어하는 데 사용될 수있는 임계 침전 입자 크기를 결정하는 데 중요합니다. 원심 분리 속도에 의해 결정되는 터미널 속도는 원심 분리기의 다른 유형에 따라 변화해야합니다. 초임계 액체의 사용뿐만 아니라 다른 보조 방법은 제안 된 방법의 효율성을 높이는 데 사용될 수 있습니다.
이 작업에 제시된 방법은 농도를 측정하기 위해 여러 기술(예를 들어, UV-Vis 분광법)에 의존하며, 플레이크 크기는 잘 조절되지 않았다. 또한,이 작업에 설명 된 방법은 생산 비용을 증가시킬 것이다. 이 방법은 그래핀 현탁액을 생성하기에 충분할 수 있지만, 그래핀 층을 보다 효율적인 열 전달을 얻기 위해 제어될 수 없었다.
제안된 방법의 중요성은 플레이크 길이가 좁은 크기 분포를 갖는다는 것이다. 초음파 처리와 같은 전통적인 방법은 그래 핀 나노 플레이크의 크기 분포를 변경합니다. 이것은 열 전달 응용 프로그램에서 그래 핀 나노 플레이크의 사용에 알 수없는 효과로 이어집니다.
액체 상 각질 제거를 통한 그래핀의 생산 기술이 급속히 증가함에 따라 초임계 액체 상 CO2 및 초음파를 전단 믹서에 적용하여 더 작은 그래핀 나노 시트를 제작할 수 있습니다. 또한, 이 방법은 또한 다른 층상 화합물을 생산하기 위해 적용될 수 있었다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
이 작품은 중국 국립 자연 과학 재단 (그랜트 번호 21776095), 광저우 과학 기술 핵심 프로그램 (그랜트 번호 201804020048), 청정 에너지 기술의 광동 키 연구소 (그랜트 번호 2008A060301002)에 의해 지원되었다. 이 원고를 준비하는 동안 LetPub (www.letpub.com)의 언어 적 지원에 감사드립니다.
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).
