Summary
En metode for syntetisere grafen nanofluider med kontrollerbar flak størrelse distribusjoner er presentert.
Abstract
En metode for syntetisere grafen nanofluider med kontrollerbar flak størrelse distribusjoner er presentert. Grafen nanoflakes kan fås ved peeling av grafitt i væskefasen, og peeling tid brukes til å kontrollere de nedre grensene av grafen nanoflake størrelse distribusjoner. Sentrifugering brukes med hell til å kontrollere de øvre grensene for nanopartikkel størrelses distribusjoner. Målet med dette arbeidet er å kombinere peeling og sentrifugering for å kontrollere grafen nanoflake størrelses distribusjoner i de resulterende suspensjoner.
Introduction
Tradisjonelle metoder som brukes til å syntetisere grafen nanofluider ofte bruker sonikering til å spre grafen pulver1 i væsker, og sonikering har vist seg å endre størrelsesfordelingen av grafen nanopartikler2. Siden varmeledningsevne av grafen avhenger av flak lengde3,4, syntesen av grafen nanofluider med kontrollerbar flak størrelse distribusjoner er avgjørende for varmeoverføring programmer. Kontrollert sentrifugering har blitt brukt på flytende ekspandert grafen dispersjoner for å skille suspensjoner til fraksjoner med forskjellige gjennomsnitts flak størrelser5,6. Ulike Terminal hastigheter som brukes i sentrifugering føre til ulike kritiske settling partikkelstørrelser7. Terminalen hastighet kan brukes til å eliminere store grafen nanopartikler8.
Nylig har størrelse-kontrollerbar metoder som brukes til å syntetisere grafen via væske-fase peeling er innført for å overvinne de grunnleggende problemene som oppdages av konvensjonelle metoder9,10,11, 12,13. Væskefase peeling av grafitt har vist seg å være en effektiv måte å produsere grafen suspensjoner14,15,16, og den underliggende mekanismen viser at prosessparametrene er knyttet til nedre grenser for grafen nanopartikler størrelses fordelinger. Grafen nanofluider ble syntetisert ved flytende peeling av grafitt ved hjelp av overflateaktive midler17. Mens de nedre grensene for grafen nanopartikkel størrelsesfordelingen kan styres ved å justere parametrene under peeling, blir mindre oppmerksomhet til de øvre grensene av grafen nanopartikkel størrelsesfordelingen.
Målet med dette arbeidet er å utvikle en protokoll som kan brukes til å syntetisere grafen nanofluider med kontrollerbar størrelse distribusjoner. Fordi peeling er ansvarlig bare for den nedre størrelsesgrensen av den resulterende grafen nanoflakes, er ytterligere sentrifugering innført for å kontrollere den øvre størrelsesgrensen av den resulterende grafen nanoflakes. Den foreslåtte metoden er imidlertid ikke spesifikk for grafen og kan være hensiktsmessig for andre lagdelte forbindelser som ikke kan syntetisert ved hjelp av tradisjonelle metoder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. peeling av grafitt i en flytende fase
- Tilberedning av reagenser
- I en tørr ren flat-Bottom kolbe, tilsett 20 g polyvinylklorid (PVA), og deretter legge til 1 000 mL destillert vann.
Merk: Hvis suspensjonen ikke ble behandlet til tilfredshet, kan trinnet gjentas for å få en ekstra suspensjon. - Forsiktig virvel flasken til PVA helt oppløses.
FORSIKTIG: PVA er skadelig for mennesker; vernehansker og kirurgiske masker skal derfor brukes. - Tilsett 50 g av grafitt pulver til flat-Bottom kolbe, og forsiktig virvel flasken til grafitt pulver fullt sprer i suspensjonen.
- Overfør 500 mL av den resulterende fjæringen til et 500 mL beger.
- Plasser begeret under en skjær mikser, posisjonering begeret nær midten av blande karet for å hindre dannelsen av en Vortex.
Merk: alle kjemiske reagenser som brukes er av analytisk karakter.
- I en tørr ren flat-Bottom kolbe, tilsett 20 g polyvinylklorid (PVA), og deretter legge til 1 000 mL destillert vann.
- Oppsett av utstyr
- Senk blande hodet til laveste posisjon (30 mm fra grunnplanet).
- Lag et vannbad ved å fylle en 5 000 mL beger med romtemperatur (25 ° c) vann og plasser 500 mL beger i badekaret. Skift vann hver 30 min.
- Peeling
- Start mikseren og øke hastigheten gradvis til 4 500 RPM; Bland på denne hastigheten for 120 min.
- Utfør peeling trinn fem ganger for fem forhåndsbestemt ganger: 40 min, 60 min, 80 min, 100 min, og 120 min. Blandings tiden bestemmer den nedre side størrelsesgrensen for grafen nanoflakes.
- Samle suspensjoner etter hvert peeling trinn. Hvert peeling trinn vil generere en 500 mL suspensjon. Label hver suspensjon med peeling tid for videre behandling.
- Sentrifuger den innsamlede suspensjonen på 140 x g for 45 min for å fjerne unexfoliated grafitt.
- Samle de øverste 80% av supernatanten fra hvert sentrifugerør for et ekstra sentrifugering trinn.
2. sentrifugering
- Sentrifuger den resulterende suspensjonen ved 8 951 x g for 45 min.
- Samle de øvre 50% av supernatanten i sentrifuge røret, og Merk prøven med et tall.
- Resirkuler sediment på undersiden av sentrifuge slangen fra trinn 2,2. Tilsett PVA/vann-reagens fremstilt i trinn 1.1.1 til sedimenter og rist røret kraftig for hånd til sediment er godt spredt i suspensjonen.
- Sentrifuger suspensjonen på 8 951 x g for 45 min; samle de øvre 80% for ytterligere målinger.
- Gjenta ovennevnte sentrifugering trinn fire ganger med fire forskjellige sentrifugering hastigheter: 5 035 x g, 2 238 x g, 560 x g, og 140 x g. Sentrifugering hastighet bestemmer den øvre side størrelsesgrensen på grafen nanoflakes.
Merk: protokollen kan stanses midlertidig her.
3. konsentrasjons målinger av den resulterende nanofluider
- Få absorpsjon Spectra med en bølgelengde på 660 NM ved hjelp av ultrafiolett-synlig (UV-Vis) spektroskopi.
- Bruk PVA/vann løsning fremstilt i trinn 1.1.1 for å kalibrere en UV-Vis spektrometer; sette PVA/vann konsentrasjonen til 0%.
- Legg til PVA/vann suspensjon til en tørr ren prøve celle med en banelengde på 10 mm og få en avlesning ved hjelp av produsentens programvare. Klikk på knappen Hent for å få diagrammet med måle resultater og lagre resultatene.
- Gjenta trinn 3.1.2 for hver av de forskjellige prøvene som er klargjort i trinn 2,5.
Merk: prøve cellen må rengjøres forsiktig med destillert vann og tørkes før bruk hver gang.
- Bestem grafen vekt i den resulterende suspensjonen.
- Vakuum filter 100 mL prøve oppheng ved hjelp av en nylon membran med en pore størrelse på 0,2 μm.
- Vask membran filmen med ca. 1 000 mL vann; Gjenta dette trinnet tre ganger til alle faste stoffer er vasket fra membranen.
- Bestem den vasket vannmassen med en høy presisjon mikrovekt å oppnå vekten av faste stoffer i 100 mL suspensjonen.
Merk: vektene omfatter både vekten av grafen nanoflakes og PVA-polymerer. - Analyser vannet med termogravimetriske analyse (TGA)18 for å bestemme PVA-konsentrasjonen.
- Beregn gjennomsnittet utryddelse koeffisient verdier av PVA-stabilisert system:
der A er absorbansen målt ved 660 NM ved hjelp av UV-Vis spektroskopi, og jeg er banen lengden reist av UV-lys under målingen; forholdet mellom absorbansen A og grafen konsentrasjon CG er lineær. Den utryddelse koeffisient ε er skråningen av kurven plottet for absorbansen A som en funksjon av grafen konsentrasjonen CG. Når utryddelse koeffisient ε bestemmes, CG kan bestemmes av absorbansen A.
4. justering av konsentrasjonen av resulterende nanofluider
- Vakuum-Filtrer suspensjonen ved hjelp av en nylon membran med en pore størrelse på 0,2 μm.
- Tørk membranen ved romtemperatur i over 12 timer.
- Deretter skylle filmen med varmt deionisert vann.
- Tørk av deionisert vann under et vakuum for 24 h for å oppnå grafen nanosheets.
Merk: produksjons raten for grafen er ca. 1 mg/mL. Hvis ønsket konsentrasjon er lavere enn dette, så er det lett å få det bare ved å legge PVA/vann. Hvis ønsket konsentrasjon er høyere enn 1%, er tørkeprosessen nødvendig. Her viser vi en tilstand med en ønsket konsentrasjon på 2%. - Tilsett PVA/vann-oppløsningen eller grafen nanosheets for å justere konsentrasjonen.
- Hvis ønsket konsentrasjon er mindre enn produksjonshastigheten, legger du til PVA/vann-løsningen som er klargjort i trinn 1.1.1 for å oppnå ønsket konsentrasjon.
5. måle størrelsesfordelingen med dynamisk lysspredning
- Slå på nanopartikkel analysator og Juster detektoren til C-etiketten. Plasser prøve fjæringen på testpanelet.
- Åpne programvaren for multibane korrelator kontroll vindu.
- Klikk ikke-negativ begrenset minste firkant: Multiple pass i menyen.
- Still inn medgått tid til 2 min.
- Velg vann som løsningsmiddel type.
- Endre diameteren på detektoren til 100 NM.
- Klikk test -knappen for å få avlesning og lagre resultatene.
- Gjenta trinn 5.1-5.7 for hvert av prøvene som er klargjort etter trinn 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Eksistensen av grafen nanosheets kan valideres av ulike karakteristiske teknikker. Figur 1 viser resultatet av UV-Vis målingen for de forskjellige flak størrelses distribusjonene som produseres av ovennevnte-protokollen. Den Spectra absorbansen peak oppnådd i en bølgelengde på 270 NM er bevis på grafen flak. Ulike absorbances tilsvarer ulike konsentrasjoner. Den laveste absorbansen som er observert, tilsvarer den høyeste sentrifugering hastigheten. Spectra bekrefter sterkt at grafen eksisterer.
D-båndet og 2D-båndet til Raman-spektroskopi kan brukes til å bestemme flak tykkelsen på grafen nanoflakes. Figur 2 viser Raman-analysen for den resulterende nanoflakes. D-båndet i Raman-spekteret er relatert til grafen SP3 karbonatomer som kan bidra til å skille mellom de første grafitt og grafen nanoflakes. Ved hjelp av Raman spektroskopi, ble det oppdaget at intensiteten av D-band topper øker med økende sentrifugering hastighet. Samtidig er D-band-intensiteten lav fordi grafen nanosheets som produseres, kan være defekt fri.
Dynamisk lysspredning brukes ofte til å undersøke den nanopartikkel størrelsesfordelingen av spredningen. Under eksperimentene ble mer enn 3 000 nanopartikler av hver prøve skannet for å studere størrelsesfordelingen. Den D50 skål diameter ble brukt til å representere gjennomsnittet diameter av den resulterende dispersjon. Figur 3 viser størrelsesfordelingen av den resulterende suspensjonen tilberedt ved hjelp av ulike sentrifugering hastigheter.
Et TEM-bilde er en av de mest instinktivt måtene å skille grafen nanosheets og grafitt nanostrukturer. Lag nummeret kan lett fastslås fra TEM-bildet. Figur 4 viser overførings elektron MIKROSKOPI (TEM) resultater for den resulterende nanoflakes, og viser tydelig at grafen produseres. Figur 5 viser skanning elektron MIKROSKOPI (SEM) resultater, viser at peeling er vellykket.
Som den resulterende grafen dispersjon har to klare størrelses fordelinger, gjennomsnittlig diameter av hver størrelsesfordeling ble presentert i figur 6 for å vise effekten av sentrifugering trinn. Figuren viser at sentrifugering trinnet bare virket på nanopartikler med gjennomsnittlig diameter større enn 1 000 NM. Figur 6 viser gjennomsnittlig flak størrelser av de to toppene til stede i størrelsesfordelingen, validere antagelsen om at sentrifugering bare påvirker store flak.
Figur 1. UV-Vis utryddelse Spectra etter sentrifugering på ulike sentrifugering hastigheter.
Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Raman Spectra av de første grafitt pulver og sentrifugert grafen nanoflakes innhentet ved hjelp av ulike sentrifugering hastigheter.
Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Størrelse distribusjoner av de resulterende suspensjoner oppnås ved hjelp av ulike sentrifugering hastigheter.
Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4. TEM-resultater for den resulterende nanoflakes.
Prøvene ble utarbeidet med 4500 RPM rotor hastigheter, og sentrifugering hastighet var 8 951 x g. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5. SEM resultater for ekspandert nanoflakes.
Prøven ble utarbeidet ved hjelp av en peeling tid på 60 min og en rotor hastighet på 4500 RPM. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6. Gjennomsnittlig flak størrelser på to topper i størrelsesfordelingen.
Størrelsen distribusjoner av den resulterende suspensjonen viser to topper. Grafen viser at sentrifugering bare virker på nanopartikler med gjennomsnittlig diameter større enn 1 000 NM. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har foreslått en metodikk for syntetisere grafen nanofluider med kontrollerbar størrelse distribusjoner. Metoden kombinerer to prosedyrer: peeling og sentrifugering. Peeling styrer den nedre størrelsesgrensen av nanopartikler, og sentrifugering styrer den øvre størrelsesgrensen av nanopartikler.
Selv om vi brukte væske-fase peeling av grafitt å produsere grafen nanopartikler, bør følgende endringer i protokollen vurderes. Ytterligere peeling parametre (for eksempel rotor hastighet, grafitt konsentrasjon, og bruk av andre overflateaktive stoffer) bør vurderes å oppnå den nedre størrelsesgrensen av grafen nanosheets. Under sentrifugering, er terminalen hastighet avgjørende for å bestemme den kritiske settling partikkelstørrelse, som kan brukes til å kontrollere den øvre grensen av nanopartikkel størrelse distribusjoner. Terminalen hastighet, som bestemmes av sentrifugering hastighet, bør varieres med ulike typer sentrifuger. Bruken av en superkritisk væske, samt andre hjelpe metoder, kan brukes til å øke effektiviteten av den foreslåtte metoden.
Metoden som presenteres i dette arbeidet er avhengig av flere teknikker (f. eks UV-Vis spektroskopi) for å måle konsentrasjonen, og flak størrelsen var ikke godt kontrollert. I tillegg vil metoden som er beskrevet i dette arbeidet, øke produksjonskostnadene. Selv om denne metoden kan være tilstrekkelig til å produsere grafen suspensjoner, kan grafen laget ikke styres for å oppnå mer effektiv varmeoverføring.
Betydningen av den foreslåtte metoden er at flak lengder har en smal størrelsesfordeling. Tradisjonelle metoder, slik som sonikering, endrer størrelsesfordelingen av grafen nanoflakes. Dette fører til ukjente effekter på bruk av grafen nanoflakes i varmeoverføring programmer.
Ettersom produksjonsteknologien i grafen via væskefase peeling raskt vokser, kan superkritisk CO2 og ultralyd brukes på en skjær mikser for å bidra til å dikte opp mindre grafen nanosheets. I tillegg kan denne metoden også brukes til å produsere andre lagdelte forbindelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble støttet av National Nature Science Foundation i Kina (Grant no. 21776095), Guangzhou Science and Technology Key program (Grant no. 201804020048), og Guangdong nøkkel laboratorium for Clean Energy Technology (Grant no. 2008A060301002). Vi takker LetPub (www.letpub.com) for sin språklige assistanse under utarbeidelsen av dette manuskriptet.
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).
