Summary
En metod för att syntetisera grafen nanofluider med kontrollerbara flingstorleks fördelningar presenteras.
Abstract
En metod för att syntetisera grafen nanofluider med kontrollerbara flingstorleks fördelningar presenteras. Grafen grafen kan erhållas genom exfoliering av grafit i vätskefasen, och exfoliering tid används för att kontrollera de lägre gränserna för grafen nanoflake storleks fördelningar. Centrifugering används framgångsrikt för att kontrollera de övre gränserna för nanopartikel storleks fördelningarna. Syftet med detta arbete är att kombinera exfoliering och centrifugering för att kontrollera storleken på grafennanofasjön i de resulterande upphängningarna.
Introduction
Traditionella metoder som används för att syntetisera grafen nanofluider använder ofta ultraljudsbehandling för att skingra grafen pulver1 i vätskor, och ultraljudsbehandling har visat sig ändra storleksfördelningen av grafen nanopartiklar2. Eftersom värmeledningsförmåga grafen beror på flingan längd3,4, är syntesen av grafen nanofluider med kontrollerbara flinga storlek distributioner avgörande för värme-överföring applikationer. Kontrollerad centrifugering har framgångsrikt tillämpats på flytande exfolierad grafendispersioner för att separera suspensioner i fraktioner med olika medel flingstorlekar5,6. Olika Terminal hastigheter som används i centrifugering leda till olika kritiska sedimentering partikelstorlekar7. Den terminala hastigheten kan användas för att eliminera stora grafen nanopartiklar8.
Nyligen har storleks-kontrollerbara metoder som används för att syntetisera grafen via flytande fas exfoliering införts för att övervinna de grundläggande problem som möter konventionella metoder9,10,11, 12,13. Flytande fas exfoliering av grafit har visat sig vara ett effektivt sätt att producera Grafenet suspensioner14,15,16, och den underliggande mekanismen visar att processparametrarna är relaterade till lägre gränser för Grafenet nanopartiklar storleks fördelningar. Grafen nanofluider var syntetiseras av flytande exfoliering av grafit med hjälp av tensider17. Även om de nedre gränserna för grafen nanopartiklar storleksfördelning kan styras genom att justera parametrarna under exfoliering, mindre uppmärksamhet ägnas åt de övre gränserna för grafen nanopartikel storleksfördelning.
Målet med detta arbete är att utveckla ett protokoll som kan användas för att syntetisera grafen nanofluider med kontrollerbara flingstorleks fördelningar. Eftersom exfoliering är ansvarig endast för den nedre storleksgränsen för den resulterande grafen nanoflakes, införs ytterligare centrifugering för att kontrollera den övre storleksgränsen för den resulterande grafen nanoflakes. Den föreslagna metoden är dock inte specifik för grafen och kan vara lämplig för alla andra skiktade föreningar som inte kan syntetiseras med traditionella metoder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. peeling av grafit i flytande fas
- Beredning av reagenser
- Tillsätt 20 g polyvinylalkohol (PVA) i en torr ren platt botten kolv och tillsätt sedan 1 000 mL destillerat vatten.
Anmärkning: om suspensionen inte behandlades till tillfredsställelse, steg kan upprepas för att få en ytterligare avstängning. - Snurra kolven försiktigt tills PVA helt löses upp.
Varning: PVA är skadligt för människor; Därför bör skyddshandskar och kirurgiska masker användas. - Tillsätt 50 g grafit pulver till den plana botten kolven och snurra kolven försiktigt tills grafit pulvret helt skingrar i suspensionen.
- Överför 500 mL av den resulterande suspensionen till en 500 mL-bägare.
- Placera bägaren under en skjuvning mixer, Placera bägaren nära mitten av blandningskärlet för att förhindra bildandet av en virvel.
Anmärkning: alla kemiska reagenser som används är av analytisk kvalitet.
- Tillsätt 20 g polyvinylalkohol (PVA) i en torr ren platt botten kolv och tillsätt sedan 1 000 mL destillerat vatten.
- Inställning av utrustning
- Sänk blandnings huvudet till sitt lägsta läge (30 mm från bas planet).
- Gör ett vattenbad genom att fylla en 5 000 mL bägare med rumstemperatur (25 ° c) vatten och placera 500 mL bägaren i badet. Byt vatten var 30 min.
- Exfoliering
- Starta mixern och öka hastigheten gradvis till 4 500 rpm; blanda med denna hastighet för 120 min.
- Utför exfoliering steg fem gånger för fem förutbestämda tider: 40 min, 60 min, 80 min, 100 min och 120 min. Blandningstiden bestämmer den lägre laterala storleksgränsen för grafen nanoflakes.
- Samla in suspensioner efter varje exfoliering steg. Varje exfoliering steg kommer att generera en 500 ml suspension. Märk varje suspension med exfolierande tid för vidare behandling.
- Centrifugera den insamlade suspensionen vid 140 x g för 45 min för att ta bort unexfoliated grafit.
- Samla upp 80% av supernatanten från varje centrifugeringsrör för ytterligare centrifugering steg.
2. centrifugering
- Centrifugera den resulterande suspensionen vid 8 951 x g för 45 min.
- Samla upp den övre 50% av supernatanten i centrifugerröret och märk provet med ett nummer.
- Återvinn sedimentet på undersidan av centrifugerröret från steg 2,2. Tillsätt PVA/vattenreagens som bereds i steg 1.1.1 till sedimenten och skaka röret kraftigt för hand tills sedimentet är väl dispergerat i suspensionen.
- Centrifugera suspensionen vid 8 951 x g för 45 min; samla den övre 80% för ytterligare mätningar.
- Upprepa det ovan nämnda centrifugeringssteget fyra gånger med fyra olika centrifugeringshastigheter: 5 035 x g, 2 238 x g, 560 x goch 140 x g. Centrifugeringshastigheten bestämmer den övre laterala storleksgränsen för grafen nanoflakes.
Obs: protokollet kan pausas här.
3. koncentrationsmätningar av de resulterande nanofluider
- Erhålla Absorptionsspektra med en våglängd på 660 nm med ultraviolett synlig (UV-VIS) spektroskopi.
- Använd PVA/Water-lösningen som bereds i steg 1.1.1 för att kalibrera en UV-VIS-spektrometer. Ställ in PVA/Water-koncentrationerna på 0%.
- Tillsätt PVA/vattensuspensionen till en torr ren prov cell med en stig längd på 10 mm och få en avläsning med hjälp av tillverkarens programvara. Klicka på knappen Hämta för att få mätresultat diagrammet och spara resultaten.
- Upprepa steg 3.1.2 för vart och ett av de olika proverna som förberetts i steg 2,5.
Obs: prov cellen måste rengöras omsorgsfullt med destillerat vatten och torkas före användning varje gång.
- Bestäm grafenvikten i den resulterande suspensionen.
- Vakuum filter 100 mL prov suspension med ett nylonmembran med porstorlek 0,2 μm.
- Tvätta membran filmen med ca 1 000 mL vatten; Upprepa detta steg tre gånger tills alla fasta partiklar tvättas från membranet.
- Bestäm den tvättade vattenmassan med en hög precision Microbalance för att få vikten av fasta ämnen i 100 mL suspensionen.
Anm.: vikterna omfattar både grafen grafen och PVA-polymerernas vikt. - Analysera vattnet med termogravimetrisk analys (TGA)18 för att bestämma PVA-koncentrationen.
- Beräkna medelvärdet för utrotningskoefficienten för det PVA-stabiliserade systemet:
där A är absorbansen mätt vid 660 nm med UV-VIS-spektroskopi, och jag är väglängden som färdades av UV-ljuset under mätningen. sambandet mellan absorbansen A och grafenkoncentrationen CG är linjär. Utdöningskoefficienten ε är lutningen på kurvan plottas mot absorbansen a som funktion av grafen koncentrationen CG. När den utdöningskoefficient ε bestäms kan CG bestämmas genom absorbansen A.
4. justering av koncentrationen av resulterande nanofluider
- Vakuum-filtrera upphängningarna med ett nylonmembran med porstorlek 0,2 μm.
- Torka av membranet vid rumstemperatur i över 12 timmar.
- Skölj sedan filmen med hett avjoniserat vatten.
- Torka avjoniserat vatten under ett vakuum för 24 h för att få grafen nanosheets.
Anm.: produktionstakten för grafen är ungefär 1 mg/mL. Om den önskade koncentrationen är lägre än så är det lätt att få den endast genom att tillsätta PVA/vatten. Om den önskade koncentrationen är högre än 1%, då är torkprocessen nödvändig. Här visar vi ett tillstånd med en önskad koncentration på 2%. - Tillsätt PVA/vatten lösningen eller grafennanoarken för att justera koncentrationen.
- Om den önskade koncentrationen är mindre än produktionstakten, tillsätt PVA/vatten lösningen som förberetts i steg 1.1.1 för att erhålla önskad koncentration.
5. mäta storleks fördelningarna med dynamisk ljusspridning
- Slå på nanopartiklar Analyzer och Justera detektorn till C Label. Placera prov fjädringen på test panelen.
- Öppna programvaran för correlatorkontrollfönstret.
- Klicka på icke-negativ begränsad minst kvadrat: flera pass i menyn.
- Ställ in förfluten tid till 2 min.
- Välj vatten som lösningsmedels typ.
- Byt diametern på detektorn till 100 nm.
- Klicka på knappen testa för att hämta utläsning och spara resultaten.
- Upprepa steg 5.1-5.7 för varje prov som förberetts efter steg 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Förekomsten av Grafenet nanoskikt kan valideras av olika karakteristiska tekniker. Figur 1 visar resultaten av UV-VIS-mätningen för de olika flingstorleks fördelningarna som produceras av ovannämnda protokoll. Spektrat absorbanstopp erhålls vid en våglängd på 270 Nm är bevis på grafen flingor. Olika absorbanserna motsvarar olika koncentrationer. Den lägsta absorbansen som observeras motsvarar den högsta centrifugeringshastigheten. Spektrat bekräftar starkt att grafen existerar.
Den D band och 2D band av Raman spektroskopi kan användas för att bestämma flingans tjocklek av grafen nanoflakes. Figur 2 visar Raman analys för den resulterande nanoflakes. Den D-band av Raman spektrumet är relaterat till grafen SP3 kolatomer som kan bidra till att skilja mellan den ursprungliga grafit och grafen nanoflakes. Med hjälp av Raman-spektroskopi upptäcktes att de intensiteter av D-bandet toppar ökar med ökande centrifugering hastighet. Samtidigt är D-bandintensiteten låg eftersom grafen nanoskikt som produceras kan vara defekt-fri.
Dynamisk ljusspridning används ofta för att undersöka utbredningarna av nanopartikelstorlek i spridningen. Under experimenten skannades mer än 3 000 nanopartiklar av varje prov för att studera storleksfördelningen. Den D50-tefat diametern användes för att representera den genomsnittliga diametern av den resulterande spridningen. Figur 3 visar storleksfördelningen för den resulterande suspensionen som bereds med olika centrifugeringshastigheter.
En tem bild är en av de mest instinktiva sätt att skilja grafen nanoskikt och grafit nanostrukturer. Lager numret kan enkelt bestämmas från TEM-bilden. Figur 4 visar resultaten av transmissionselektronmikroskopi (TEM) för de resulterande nanofinsjöarna, vilket tydligt visar att grafen produceras. Figur 5 visar resultaten av scanning elektronmikroskopi (SEM), som visar att exfoliering är framgångsrik.
Eftersom den resulterande grafendispersionen har två klara storleks fördelningar, presenterades den genomsnittliga diametern för varje storleksfördelning i figur 6 för att visa effekten av centrifugeringssteget. Figuren visar att centrifugeringssteget endast fungerade på nanopartiklar med medel diametrar större än 1 000 Nm. Figur 6 visar de genomsnittliga flingorna på de två toppar som finns i storleksfördelningen och validerar antagandet att centrifugering endast påverkar stora flingor.
Figur 1. UV-VIS-utrotnings spektra efter centrifugering vid olika centrifugeringshastigheter.
Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Raman spectra av de initiala grafit pudrar och den centrifugerade grafen nanofinsjöarna som erhålls med olika centrifugeringshastigheter.
Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Storleks fördelningar av de resulterande suspensioner som erhålls med olika centrifugeringshastigheter.
Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4. Resultat för de resulterande nanofinsjöarna.
Proverna var preparerade med 4500 RPM rotor hastigheter, och centrifugeringshastigheten var 8 951 x g. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5. SEM resultat för exfolierad nanoflakes.
Provet preparerades med hjälp av en exfolierande tid på 60 min och en rotorhastighet på 4500 RPM. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6. Medel flingstorlekar på två toppar i storleksfördelningen.
Storleks fördelningarna för den resulterande fjädringen visar två toppar. Grafen visar att centrifugering endast fungerar på nanopartiklar med medel diametrar större än 1 000 Nm. Vänligen klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har föreslagit en metod för att syntetisera grafennanofluider med kontrollerbara flingstorleks fördelningar. Metoden kombinerar två procedurer: peeling och centrifugering. Exfoliering styr den undre storleksgränsen för nanopartiklarna, och centrifugering styr den övre storleksgränsen för nanopartiklarna.
Även om vi använde flytande fas peeling av grafit för att producera grafen nanopartiklar, bör följande ändringar i protokollet övervägas. Ytterligare exfolieringsparametrar (t. ex. rotorhastighet, grafit koncentration och användning av andra tensider) bör övervägas för att erhålla den undre storleksgränsen för grafennanoarken. Under centrifugering är terminalens hastighet avgörande för att bestämma den kritiska sedimenteringspulsstorleken, som kan användas för att kontrollera den övre gränsen för nanopartikelstorleks fördelningarna. Den terminala hastigheten, som bestäms av centrifugeringshastigheten, bör varieras med olika typer av centrifuger. Användningen av en superkritisk vätska, liksom andra hjälpmetoder, skulle kunna användas för att öka effektiviteten i den föreslagna metoden.
Den metod som presenteras i detta arbete bygger på flera tekniker (t. ex. UV-VIS spektroskopi) för att mäta koncentrationen, och flingstorleken var inte välkontrollerad. Dessutom kommer den metod som beskrivs i detta arbete att öka produktionskostnaden. Även om denna metod kan vara tillräcklig för att producera grafensuspensioner, kunde inte grafenskiktet styras för att få effektivare värmeöverföring.
Betydelsen av den föreslagna metoden är att flinglängderna har en smal storleksfördelning. Traditionella metoder, såsom ultraljudsbehandling, ändra storlek fördelningar av grafen nanoflakes. Detta leder till okända effekter på användningen av grafen grafen i värmeöverförings applikationer.
Som produktionsteknik av grafen via flytande fas exfoliering växer snabbt, superkritisk flytande fas CO2 och ultraljud kan appliceras på en skjuvning mixer för att hjälpa tillverka mindre grafen nanosheets. Dessutom kan denna metod också tillämpas för att producera andra skiktade föreningar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes av National Nature Science Foundation i Kina (Grant nr 21776095), Guangzhou Science and Technology Key program (Grant No. 201804020048), och Guangdong Key laboratorium för ren energiteknik (Grant No. 2008A060301002). Vi tackar LetPub (www.letpub.com) för dess språkliga hjälp under utarbetandet av detta manuskript.
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).
