Summary
Kontrol edilebilir pul boyutu dağıtımları ile grafen nanofluidlerin sentezleme yöntemi sunulmuştur.
Abstract
Kontrol edilebilir pul boyutu dağıtımları ile grafen nanofluidlerin sentezleme yöntemi sunulmuştur. Grafen nanogöller sıvı fazda grafit ekfolasyon tarafından elde edilebilir, ve Eksfoliasyon süresi grafen nanoflake boyutu dağılımları alt sınırlarını kontrol etmek için kullanılır. Santrifüjleme başarıyla nanopartikül boyutu dağılımları üst sınırlarını kontrol etmek için kullanılır. Bu çalışmanın amacı, elde edilen süspansiyonların grafen nanoflake boyutu dağılımlarını kontrol etmek için Eksfoliasyon ve santrifüjleme birleşmesi.
Introduction
Grafen Nanoakışkanlar sentezlemek için kullanılan geleneksel yöntemler genellikle sıvılarda grafen tozu1 dağıtmak için sonication kullanmak, ve sonication grafen Nanopartiküllerin boyutu dağılımı değiştirmek için kanıtlanmıştır2. Grafen termal iletkenliği, pul uzunluğuna bağlı olduğundan,3,4, kontrol edilebilir pul boyutu dağıtımları ile grafen Nanoakışkanlar sentezi ısı transferi uygulamaları için hayati önem taşımaktadır. Kontrollü santrifüjleme başarıyla farklı ortalama pul boyutları5,6ile kesirler içine süspansiyonları ayırmak için sıvı eksfolyonlu Grafin dispersiyonlar uygulandı. Santrifüjleme sırasında kullanılan farklı Terminal hızları, farklı kritik yerleşme partikül boyutlarına7' ye yol açar. Terminal hızı büyük grafen nanopartikülleri ortadan kaldırmak için kullanılabilir8.
Son zamanlarda, sıvı faz Eksfoliasyon yoluyla grafen sentezlemek için kullanılan boyut kontrol yöntemleri konvansiyonel yöntemlerle karşılaşılan temel sorunların üstesinden gelmek için tanıtıldı9,10,11, 12,13. Grafin sıvı faz Eksfoliasyon grafen süspansiyonları üretmek için etkili bir yol olduğu kanıtlanmıştır14,15,16, ve temel mekanizması işlem parametreleri ilgili olduğunu gösterir grafen Nanopartiküllerin boyutu dağılımları alt sınırları. Grafin nanofluidler, yüzeyden17' ye kadar filize olan sıvı ekfolilasyon ile sentezlenmiş. Grafen nanopmakale boyutu dağılımının alt sınırları, eksfoliasyon sırasında parametreler ayarlayarak kontrol edilebilir iken, daha az dikkat grafen nanopartikül boyutu dağılımı üst sınırları ödenir.
Bu çalışmanın amacı, grafen nanofluidleri kontrol edilebilir pul boyutu dağıtımları ile sentezlemek için kullanılabilecek bir protokol geliştirmektir. Çünkü Eksfoliasyon sadece sonuç grafen nanoflakes alt boyutu sınırı sorumludur, ek santrifüjleme elde edilen grafen nanoflakes üst boyutu sınırını kontrol etmek için tanıtıldı. Ancak, önerilen yöntem grafen için özel değildir ve geleneksel yöntemler kullanılarak sentezlenmiş olamaz diğer katmanlı bileşikler için uygun olabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. bir sıvı faz grafit ekfolilasyon
- Reaktiflerin hazırlanması
- Kuru temiz düz alt Flask, 20 g Polivinil alkol (PVA) ekleyin ve ardından 1.000 mL distile su ekleyin.
Not: süspansiyon memnuniyeti için işlenmedi, adım ek bir süspansiyon elde etmek için tekrarlanabilir. - PVA tamamen çözülür kadar hafifçe girdap Flask.
DIKKAT: PVA insanlar için zararlı; Böylece koruyucu eldivenler ve Cerrahi maskeler kullanılmalıdır. - Düz alt Flask için grafit toz 50 g ekleyin ve grafit tozu tamamen süspansiyon içinde dağılıncaya kadar hafifçe girdap Flask.
- Transfer 500 mL elde edilen süspansiyon için bir 500 mL Beaker.
- Bir girdap oluşumunu önlemek için karıştırma gemisinin merkezine yakın bir kesme karıştırıcı, konumlandırma kabı yerleştirin.
Not: kullanılan tüm kimyasal reaktifler analitik sınıfdır.
- Kuru temiz düz alt Flask, 20 g Polivinil alkol (PVA) ekleyin ve ardından 1.000 mL distile su ekleyin.
- Ekipman kurulumu
- Karıştırma kafasını en düşük konumuna (baz düzleminden 30 mm) indirin.
- Oda sıcaklığı (25 °c) su ile 5.000 ml kabı doldurarak bir su banyosu yapın ve banyoda 500 ml kabı konumlandırın. Her 30 dakikada bir su değiştirin.
- Eksfoliyasyon
- Mikser başlatın ve 4.500 rpm kademeli hızını artırmak; 120 dk için bu hızda karıştırın.
- Beş önceden belirlenmiş kez beş kez exfoliiation adımı gerçekleştirin: 40 dk, 60 dk, 80 dk, 100 dk, ve 120 Min. Karıştırma süresi grafen nanoflakes alt lateral boyutu sınırını belirler.
- Her peeling adımının ardından süspansiyonları toplayın. Her Eksfoliasyon adım 500 mL süspansiyon oluşturur. Daha fazla tedavi için her süspansiyonu ekfolasyon süresi ile etiketleyin.
- Toplanan süspansiyonu 140 x g 'de 45 dakika boyunca Santrifüjden çıkarın.
- Ek bir santrifüjleme adım için her santrifüj tüpten süpernatant en iyi% 80 toplayın.
2. santrifüjleme
- Elde edilen süspansiyonu 45 dk için 8.951 x g 'de santrifüjün.
- Santrifüj tüpünde süpernatant üst 50% toplamak ve bir sayı ile örnek etiket.
- Adım 2,2 santrifüjün altındaki tortu geri dönüşümü. PVA/su reaktif adım 1.1.1 sedimler için hazırlanan ekleyin ve tortu iyi süspansiyon dağınık kadar elle tüp sarsmak.
- Süspansiyon Santrifüjü 8.951 x g için 45 dk; daha fazla ölçümler için üst 80% toplamak.
- Dört farklı santrifüjleme hızıyla yukarıda belirtilen santrifüjleme adımını dört kez tekrarlayın: 5.035 x g, 2.238 x g, 560 x gve 140 x g. Santrifüjleme hızı grafen nanogöllerin üst lateral boyutu sınırını belirler.
Not: protokol burada duraklatılmış olabilir.
3. elde edilen nanofluidlerin konsantrasyon ölçümleri
- Ultraviyole görünür (UV-vis) spektroskopisi kullanılarak 660 nm 'lik bir dalga boyunda emilim spektrumunu elde etmek.
- Bir UV-Vis Spektrometre kalibre etmek için adım 1.1.1 hazırlanmış PVA/su çözeltisi kullanın; PVA/su konsantrasyonlarını% 0 olarak ayarlayın.
- PVA/su süspansiyonunu 10 mm yol uzunluğuna sahip kuru temiz bir örnek hücreye ekleyin ve üreticinin yazılımını kullanarak bir okuma alın. Ölçüm sonuçları grafiğini almak ve sonuçları kaydetmek için edinin düğmesini tıklatın.
- Adım 3.1.2 her farklı örnekler için adım 2,5 hazırlanan tekrarlayın.
Not: örnek hücre, her seferinde kullanmadan önce damıtılmış su ile dikkatle temizlenmeli ve kurutulmalıdır.
- Elde edilen süspansiyon grafen ağırlığı belirleyin.
- Vakum filtre 100 mL örnek süspansiyon bir naylon membran kullanarak bir gözenek boyutu 0,2 μm.
- Membran filmi yaklaşık 1.000 mL su ile yıkayın; Tüm katılar membrandan yıkanır kadar bu adımı üç kez tekrarlayın.
- 100 mL süspansiyon içinde katıların ağırlığını elde etmek için yüksek hassasiyetli mikrodenge ile yıkanmış su kütlesini belirleyin.
Not: ağırlıklar hem grafen nanoflakes hem de PVA polimerlerinin ağırlığını içerir. - PVA konsantrasyonunu belirlemek için su termogravimetrik analiz (TGA)18 ile analiz edin.
- PVA Stabilized sisteminin ortalama yok olma katsayısı değerlerini hesaplayın:
Burada A emilme ölçülen 660 nm UV-Vis spektroskopisi kullanarak, ve ben ölçüm sırasında UV ışığı ile seyahat yol uzunluğu olduğunu; emici A ve grafen konsantrasyonu CG arasındaki ilişki doğrusal olur. Yok olma katsayısı ε , grafen konsantrasyonu CG'nin bir fonksiyonu olarak emici a için çizilen eğrinin eğimi. Ε yok olma katsayısı belirlendiğinde, CG emici A ile belirlenebilir .
4. elde edilen nanofluidlerin konsantrasyonunu ayarlama
- Vakum-0,2 μm bir gözenek boyutu ile bir naylon membran kullanarak süspansiyonları filtre.
- 12 saat boyunca oda sıcaklığında membranı kurutun.
- Daha sonra, filmi sıcak deiyonize suyla durulayın.
- Grafen nanosheets elde etmek için 24 saat boyunca bir vakum altında deiyonize su kurutun.
Not: grafen üretim oranı yaklaşık 1 mg/mL 'dir. İstenilen konsantrasyon bundan daha düşüktür, o zaman sadece PVA/su ekleyerek onu elde etmek kolaydır. İstenilen konsantrasyon% 1 ' den yüksek ise, kurutma işlemi gereklidir. Burada, biz% 2 istenilen konsantrasyon ile bir durum göstermektedir. - Konsantrasyonu ayarlamak için PVA/su çözeltisi veya grafen nanosheets ekleyin.
- İstenilen konsantrasyon üretim hızının az ise, istenen konsantrasyon elde etmek için adım 1.1.1 hazırlanmış PVA/su çözeltisi ekleyin.
5. dinamik ışık saçılma ile boyut dağılımlarını ölçme
- Nanopartikül analizörü açın ve dedektörü C etiketine ayarlayın. Örnek süspansiyonu test paneline yerleştirin.
- İlişkilendirici kontrol penceresi yazılımını açın.
- Negatif olmayan kısıtlanmış en az kare 'yi tıklatın: menüde birden çok Pass .
- Geçen süreyi 2 dakika olarak ayarlayın.
- Solvent tipi olarak su seçin.
- Dedektör çapını 100 Nm 'ye değiştirin.
- Okuma almak ve sonuçları kaydetmek için Test düğmesini tıklatın.
- 4. adımda hazırlanan örneklerin her biri için 5.1-5.7 arasındaki adımları yineleyin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Grafen nanosheets varlığı çeşitli karakteristik teknikler tarafından doğrulanabilir. Şekil 1 , yukarıda belirtilen protokol tarafından üretilen çeşitli pul boyutu DAĞıTıMLARı için UV-Vis ölçümünün sonuçlarını gösterir. Spectra emici zirve bir dalga boyu elde 270 Nm grafen gevreği kanıtıdır. Farklı Absorbanlar farklı konsantrasyonlara karşılık gelir. Gözlenen en düşük emilme en yüksek santrifüjleme hızına karşılık gelir. Spektrum güçlü grafen var olduğunu teyit.
Raman spektroskopisinin D bandı ve 2D bandı, grafen nanogöllerinin pul kalınlığını belirlemek için kullanılabilir. Şekil 2 , elde edilen Nanogöller için Raman analizini gösterir. Raman spektrumunun D-Band ilk grafit ve grafen nanoflakes arasında ayırt etmek için yardımcı olabilir grafen SP3 karbon atomları ile ilgilidir. Raman spektroskopisi kullanılarak, D-Band zirvelerinin yoğunluklarında artan santrifüjleme hızı ile artış bulunmuştur. Aynı zamanda, üretilen grafen nanosheets kusur içermeyen olabilir çünkü D-Band yoğunluğu düşüktür.
Dinamik ışık saçılma genellikle dispersiyon nanopartikül boyutu dağılımlarını araştırmak için kullanılır. Deneyler sırasında, her örnek 3.000 ' den fazla nanopartiküller boyut dağılımını incelemek için tarandı. D50 gövde çapı, ortaya çıkan dağılımının ortalama çapını temsil etmek için kullanılmıştır. Şekil 3 farklı santrifüjleme hızları kullanılarak hazırlanan elde edilen süspansiyonun boyutu dağılımını gösterir.
Bir Tem görüntü grafen nanosheets ve grafit Nanostructures ayırt etmek için en içgüdüsel yollarından biridir. Katman numarası, TEM görüntüsünden kolayca tespit edilebilir. Şekil 4 ortaya çıkan nanogöller için iletim elektron mikroskobu (Tem) sonuçlarını gösterir, grafen üretildiğini açıkça gösteriyor. Şekil 5 , taramanın başarılı olduğunu gösteren Tarama elektron mikroskobu (SEM) sonuçlarını gösterir.
Elde edilen grafen dağılımı iki net boyut dağılımına sahipse, santrifüjleme adımının etkisini göstermek için Şekil 6 ' da her boyut dağılımının ortalama çapı sunulmuştur. Şekil, santrifüjleme adımının sadece 1.000 Nm 'den büyük ortalama çapları olan nanopartiküller üzerinde çalıştığını gösterir. Şekil 6 , santrifüjleme sadece büyük gevreği etkiler varsayımı doğrulama, boyut dağılımı mevcut iki zirvelerin ortalama pul boyutlarını gösterir.
Şekil 1 ' de. Farklı santrifüjleme hızlarında Santrifüjden sonra UV-Vis yok olma spektrumları.
Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 2. İlk Grafit tozlarının Raman spektrumları ve farklı santrifüjleme hızları kullanılarak elde edilen santrifüj grapen nanoflakes.
Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 3 ' ü. Farklı santrifüjleme hızları kullanılarak elde edilen süspansiyonların boyutu dağılımları.
Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen tıklayınız.
Şekil 4. Sonuç nanoflakes için TEM sonuçları.
Numuneler 4500 RPM rotor hızları ile hazırlanmıştır ve santrifüjleme hızı 8.951 x g idi. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 5. Eksfoliasyonlu nanogöller için SEM sonuçları.
Numune, 60 min 'lik bir Eksfoliasyon süresi ve 4500 RPM 'lik bir rotor hızı kullanılarak hazırlanmıştır. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Şekil 6. Boyut dağılımı iki zirvelerde ortalama pul boyutları.
Elde edilen süspansiyon boyutu dağılımları iki zirveler gösterir. Grafik santrifüjleme sadece 1.000 Nm 'den büyük ortalama çapları ile nanopartiküller üzerinde çalışır gösterir. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek Için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Biz kontrol edilebilir pul boyutu dağıtımları ile grafen Nanoakışkanlar sentezlemek için bir metodoloji önerdi. Yöntem iki prosedürü birleştirir: Eksfoliasyon ve santrifüjleme. Eksfoliasyon Nanopartiküllerin alt boyut sınırını kontrol eder ve santrifüjleme, Nanopartiküllerin üst boyutu sınırını kontrol eder.
Grafin nanopartiküllerinin üretilmesine yönelik sıvı fazlı ekfolilasyon kullansa da protokole aşağıdaki değişiklikler dikkate alınmalıdır. Ek Eksfoliasyon parametreleri (örneğin, rotor hızı, grafit konsantrasyonu ve diğer yüzey kullanımı) grafen nanosheets alt boyutu sınırı elde etmek için dikkate alınmalıdır. Santrifüjleme sırasında, terminal hızı, nanopmakale boyutu dağılımlarının üst sınırını kontrol etmek için kullanılabilecek kritik yerleşme partikül boyutunu belirlemek için hayati öneme sahiptir. Santrifüjleme hızı ile belirlenen terminal hızı, farklı türde santrifüjlerle değişmelidir. Önerilen yöntemin verimliliğini artırmak için süper kritik bir sıvının yanı sıra diğer yardım yöntemlerinin kullanımı da kullanılabilir.
Bu çalışma içinde sunulan Yöntem konsantrasyon ölçmek için çeşitli teknikler (örneğin, UV-Vis spektroskopisi) dayanır, ve pul boyutu iyi kontrol değildi. Ayrıca, bu çalışma içinde açıklanan yöntem üretim maliyetini artıracaktır. Bu yöntem grafen süspansiyonları üretmek için yeterli olabilir, ancak, grafen tabakası daha verimli ısı transferi elde etmek için kontrol edilemedi.
Önerilen yöntemin önemi, pul uzunlukları dar bir boyutu dağılımı vardır. Geleneksel yöntemler, sonication gibi, grafen nanoflakes boyutu dağılımlarını değiştirmek. Bu ısı transferi uygulamalarında grafen nanoflakes kullanımı üzerinde bilinmeyen etkilere yol açar.
Sıvı faz Eksfoliasyon yoluyla Grafin üretim teknolojisi hızla büyür, süperkritik sıvı faz Co2 ve ultrason küçük grafen nanosheets imal yardımcı olmak için bir kesme karıştırıcı uygulanabilir. Buna ek olarak, bu yöntem de diğer katmanlı bileşikler üretmek için uygulanabilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların ifşa etmesi gereken hiçbir şey yok.
Acknowledgments
Bu iş Çin Ulusal doğa bilimi Vakfı tarafından desteklenmektedir (Grant No. 21776095), Guangzhou bilim ve teknoloji anahtar programı (Grant No. 201804020048), ve Guangdong anahtar Laboratuvarı temiz enerji teknolojisi (Grant No. 2008A060301002). Bu makalenin hazırlanması sırasında linguistik yardım için LetPub (www.letpub.com) teşekkür ederiz.
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).
