Artykuł metodologiczny

Synteza nanofluidów grafenowych z kontrolowanym rozkładem wielkości płatków

DOI:

10.3791/59740

⸱

17 lipca 2019

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Przedstawiono metodę syntezy nanofluidów grafenowych o kontrolowanym rozkładzie wielkości płatków.

Streszczenie

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

Przedstawiono metodę syntezy nanofluidów grafenowych z kontrolowanym rozkładem wielkości płatków. Nanopłatki grafenu można uzyskać przez złuszczanie grafitu w fazie ciekłej, a czas złuszczania służy do kontrolowania dolnych granic rozkładu wielkości nanopłatków grafenu. Wirowanie jest z powodzeniem stosowane do kontrolowania górnych granic rozkładu wielkości nanocząstek. Celem tej pracy jest połączenie złuszczania i wirowania w celu kontrolowania rozkładu wielkości nanopłatków grafenu w otrzymanych zawiesinach.

Wprowadzenie

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

Tradycyjne metody używane do syntezy nanofluidów grafenowych często używają sonikacji do dyspersji proszku grafenowego1 w płynach, a sonikacja została udowodniona, że zmienia rozkład wielkości nanocząstek grafenu2. Ponieważ przewodność cieplna grafenu zależy od długości płatków3,4, synteza nanofluidów grafenowych z kontrolowanym rozkładem wielkości płatków ma kluczowe znaczenie dla zastosowań związanych z wymianą ciepła. Kontrolowane wirowanie zostało z powodzeniem zastosowane do płynnych eksfoliowanych dyspersji grafenu w celu rozdzielenia zawiesin na frakcje o różnych średnich rozmiarach płatków5,6. Różne prędkości końcowe stosowane w wirowaniu prowadzą do różnych krytycznych rozmiarów cząstek osiadania7. Prędkość końcowa może być wykorzystana do wyeliminowania dużych nanocząstek grafenu8.

Ostatnio wprowadzono metody kontroli rozmiaru, używane do syntezy grafenu poprzez eksfoliację w fazie ciekłej, aby przezwyciężyć podstawowe problemy napotykane przez konwencjonalne metody9,10,11,12,13. Udowodniono, że eksfoliacja grafitu w fazie ciekłej jest skutecznym sposobem wytwarzania zawiesin grafenu14,15,16, a podstawowy mechanizm pokazuje, że parametry procesu są związane z dolnymi granicami rozkładów wielkości nanocząstek grafenu. Nanofluidy grafenu zostały zsyntetyzowane przez płynną eksfoliację grafitu za pomocą środków powierzchniowo czynnych17. Podczas gdy dolne granice rozkładu wielkości nanocząstek grafenu można kontrolować, dostosowując parametry podczas złuszczania, mniej uwagi poświęca się górnym granicom rozkładu wielkości nanocząstek grafenu.

Celem tej pracy jest opracowanie protokołu, który może być użyty do syntezy nanofluidów grafenowych o kontrolowanym rozkładzie wielkości płatków. Ponieważ złuszczanie jest odpowiedzialne tylko za dolną granicę wielkości powstałych nanopłatków grafenu, wprowadza się dodatkowe wirowanie w celu kontrolowania górnej granicy wielkości powstałych nanopłatków grafenu. Proponowana metoda nie jest jednak specyficzna dla grafenu i może być odpowiednia dla wszelkich innych związków warstwowych, których nie można zsyntetyzować tradycyjnymi metodami.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Złuszczanie grafitu w fazie ciekłej

  1. Przygotowanie odczynników
    1. W suchej, czystej kolbie płaskodennej dodać 20 g alkoholu poliwinylowego (PVA), a następnie dodać 1000 ml wody destylowanej.
      UWAGA: Jeśli zawiesina nie została przetworzona w sposób zadowalający, krok ten można powtórzyć w celu uzyskania dodatkowego zawieszenia.
    2. Delikatnie obracać kolbą, aż PVA całkowicie się rozpuści.
      UWAGA: PVA jest szkodliwy dla ludzi; W związku z tym należy stosować rękawice ochronne i maski chirurgiczne.
    3. Dodać 50 g proszku grafitowego do kolby płaskodennej i delikatnie obracać kolbą, aż proszek grafitowy całkowicie rozproszy się w zawiesinie.
    4. Przenieść 500 ml powstałej zawiesiny do zlewki o pojemności 500 ml.
    5. Umieść zlewkę pod mieszalnikiem ścinającym, umieszczając zlewkę w pobliżu środka naczynia do mieszania, aby zapobiec tworzeniu się wiru.
      UWAGA: Wszystkie użyte odczynniki chemiczne są klasy analitycznej.
  2. Konfiguracja sprzętu
    1. Opuść głowicę mieszającą do najniższego położenia (30 mm od płaszczyzny podstawy).
    2. Przygotować łaźnię wodną, napełniając zlewkę o pojemności 5 000 ml wodą o temperaturze pokojowej (25 °C) i umieścić zlewkę o pojemności 500 ml w kąpieli. Zmieniaj wodę co 30 minut.
  3. Złuszczanie
    1. Uruchomić mieszalnik i stopniowo zwiększać prędkość do 4 500 obr./min; mieszać z tą prędkością przez 120 minut.
    2. Wykonaj krok złuszczania pięć razy przez pięć z góry określonych czasów: 40 min, 60 min, 80 min, 100 min i 120 min. Czas mieszania określa dolną boczną granicę wielkości nanopłatków grafenu.
    3. Zbieraj zawiesiny po każdym etapie złuszczania. Każdy etap złuszczania wygeneruje 500 ml zawiesiny. Oznacz każdą zawiesinę czasem złuszczania w celu dalszej pielęgnacji.
    4. Odwirować zebraną zawiesinę o sile 140 x g przez 45 minut, aby usunąć niezłuszczony grafit.
    5. Zebrać górne 80% supernatantu z każdej probówki wirówkowej w celu wykonania dodatkowego etapu wirowania.

2. Wirowanie

  1. Odwirować otrzymaną zawiesinę o sile 8,951 x g przez 45 minut.
  2. Zebrać górne 50% supernatantu w probówce wirówkowej i oznaczyć próbkę liczbą.
  3. Poddać recyklingowi osad na dnie probówki wirówkowej z kroku 2.2. Dodać odczynnik PVA/woda przygotowany w kroku 1.1.1 do osadów i energicznie wstrząsnąć probówką ręcznie, aż osad będzie dobrze rozproszony w zawiesinie.
  4. Odwirować zawiesinę o sile 8,951 x g przez 45 minut; zebrać górne 80% do dalszych pomiarów.
  5. Powtórzyć wyżej wymieniony etap wirowania cztery razy z czterema różnymi prędkościami wirowania: 5,035 x g, 2,238 x g, 560 x g i 140 x g. Prędkość wirowania określa górną boczną granicę rozmiaru nanopłatków grafenu.
    UWAGA: W tym miejscu protokół można wstrzymać.

3. Pomiary stężenia powstałych nanofluidów

  1. Uzyskać widma absorpcyjne o długości fali 660 nm za pomocą spektroskopii w ultrafiolecie widzialnym (UV-Vis).
    1. Użyj roztworu PVA/wody przygotowanego w kroku 1.1.1, aby skalibrować spektrometr UV-Vis; ustaw stężenie PVA/wody na 0%.
    2. Dodać zawiesinę PVA/wodną do sucho-czystej celi na próbki o długości drogi 10 mm i uzyskać odczyt za pomocą oprogramowania producenta. Kliknij przycisk uzyskiwania, aby uzyskać wykres wyników pomiarów i zapisać wyniki.
    3. Powtórzyć krok 3.1.2 dla każdej z próbek przygotowanych w kroku 2.5.
      UWAGA: Sample cela musi być dokładnie czyszczona wodą destylowaną i suszona przed każdym użyciem.
  2. Określ masę grafenu w powstałej zawiesinie.
    1. Przefiltrować próżniowo zawiesinę próbki o objętości 100 ml za pomocą nylonowej membrany o wielkości porów 0,2 μm.
    2. Umyj folię membranową około 1 000 ml wody; powtórz ten krok trzy razy, aż wszystkie ciała stałe zostaną wypłukane z membrany.
    3. Określić masę przemytej wody za pomocą precyzyjnej mikrowagi, aby uzyskać masę ciał stałych w zawiesinie o pojemności 100 ml.
      UWAGA: Wagi obejmują zarówno masę nanopłatków grafenu, jak i polimerów PVA.
    4. Przeanalizuj wodę za pomocą analizy termograwimetrycznej (TGA)18, aby określić stężenie PVA.
    5. Obliczyć średnie wartości współczynnika ekstynkcji systemu stabilizowanego PVA:
      figure-protocol-1
      gdzie A jest absorbancją mierzoną przy długości fali 660 nm przy użyciu spektroskopii UV-Vis, a I jest długością drogi, jaką przebywa światło UV podczas pomiaru; zależność między absorbancją A a stężeniem grafenu CG jest liniowa. Współczynnik ekstynkcji ε jest nachyleniem krzywej wykreślonej dla absorbancji A w funkcji stężenia grafenu CG. Po określeniu współczynnika ekstynkcji ε, CG można określić za pomocą absorbancji A.

4. Regulacja stężenia powstałych nanofluidów

  1. Zawiesiny należy przefiltrować próżniowo za pomocą nylonowej membrany o wielkości porów 0,2 μm.
  2. Membranę suszyć w temperaturze pokojowej przez ponad 12 godzin.
  3. Następnie spłucz folię gorącą wodą dejonizowaną.
  4. Suszyć wodę dejonizowaną w próżni przez 24 godziny, aby uzyskać nanoarkusze grafenu.
    UWAGA: Szybkość produkcji grafenu wynosi około 1 mg/ml. Jeśli pożądane stężenie jest niższe, łatwo je uzyskać tylko przez dodanie PVA/wody. Jeśli pożądane stężenie jest wyższe niż 1%, konieczny jest proces suszenia. Tutaj pokazujemy stan o pożądanym stężeniu 2%.
  5. Dodaj roztwór PVA/wodny lub nanoarkusze grafenu, aby dostosować stężenie.
  6. Jeżeli pożądane stężenie jest mniejsze niż szybkość produkcji, dodać roztwór PVA/woda przygotowany w kroku 1.1.1, aby uzyskać pożądane stężenie.

5. Pomiar rozkładów wielkości za pomocą dynamicznego rozpraszania światła

  1. Włącz analizator nanocząstek i ustaw detektor na etykiecie C. Umieścić zawiesinę próbki na panelu testowym.
  2. Otwórz oprogramowanie okna sterowania korelatorem.
  3. Kliknij opcję Nieujemna ograniczona metoda najmniejszych kwadratów: Wielokrotne przejście w menu.
  4. Ustaw czas, który upłynął na 2 min.
  5. Wybierz wodę jako rodzaj rozpuszczalnika.
  6. Zmień średnicę detektora na 100 nm.
  7. Kliknij przycisk testu, aby uzyskać odczyt i zapisać wyniki.
  8. Powtórzyć kroki 5.1-5.7 dla każdej z próbek przygotowanych po kroku 4.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Istnienie nanoarkuszy grafenu można potwierdzić za pomocą różnych charakterystycznych technik. Rysunek 1 pokazuje wyniki pomiarów UV-Vis dla różnych rozkładów wielkości płatków wytworzonych przez wyżej wymieniony protokół. Pik absorbancji widma uzyskany przy długości fali 270 nm jest dowodem na istnienie płatków grafenu. Różne absorbancje odpowiadają różnym stężeniom. Najniższa obserwowana absorbancja odpowiada najwyższej prędkości wirowania. Widma zdecydowanie potwierdzają, że grafen istnie...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Zaproponowaliśmy metodologię syntezy nanofluidów grafenowych o kontrolowanym rozkładzie wielkości płatków. Metoda łączy w sobie dwie procedury: złuszczanie i odwirowywanie. Eksfoliacja kontroluje dolną granicę wielkości nanocząstek, a wirowanie kontroluje górną granicę wielkości nanocząstek.

Chociaż zastosowaliśmy eksfoliację grafitu w fazie ciekłej do wytworzenia nanocząstek grafenu, należy rozważyć następujące modyfikacje protokołu. W celu uzyskania dolnej granicy wielkości nanoarkuszy grafe...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Ta praca była wspierana przez Narodową Fundację Nauk o Przyrodzie Chin (Grant nr 21776095), Kluczowy Program Nauki i Technologii w Kantonie (Grant nr 201804020048) oraz Kluczowe Laboratorium Technologii Czystej Energii w Guangdong (Grant nr 2008A060301002). Dziękujemy LetPub (www.letpub.com) za pomoc językową podczas przygotowywania tego manuskryptu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
ZlewkaChiny Jiangsu Mingtai Sprzęt edukacyjny Co., Ltd.500 ml
zlewkiChiny Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.5000 ml
wody dejonizowanejGuangzhou Yafei Sprzęt do uzdatniania wody Co., Ltd.klasa
analityczna Waga elektronicznaShanghai Puchun Co., Ltd.JEa10001
Membrana filtracyjnaChiny Tianjin Jinteng Experiment Equipments Co., Ltd.0,2 mikrona
Grafit w proszkuTianjin Dengke odczynnik chemiczny Co., Ltd.klasa analityczna
Rękawice ręczneChiny Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.
Laboratoryjny mikser nożycShanghai Specimen and Model Factoryjrj-300
Kolba z płaskim dnem z długą szyjkąChiny Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.1000 ml
HORIBA, Ltd.SZ-100Z
PVAShanghai Yingjia Industrial Development Co., Ltd.1788analityczny
spektrofotometr RamanaHORIBA, Ltd.Horiba LabRam 2
Skaningowy mikroskop elektronowyZeiss Co., Ltd.LEO1530VP
Maska chirurgicznaChiny Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.do jednorazowego użytku
Analizator termiczny grawimetrycznyNiemiecki NETZSCH Co., Ltd.NETZSCH TG 209 F1 LibraAnaliza TGA
Transmisyjny mikroskop elektronowyJapan Electron Optics Laboratory Co., Ltd.UV-Vis JEM-1400plus
TEM Agilent Technologies, Inc.+BB2:B18Varian Cary 60

Wypróbuj profesjonalny edytor HTML online

Analizator nanocząstek SEM Spektrofotometr

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

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

Powiązane artykuły