Summary
En metode til syntese Graphene nanofluider med kontrollerbar flake størrelsesfordelinger er præsenteret.
Abstract
En metode til syntese Graphene nanofluider med kontrollerbar flake størrelsesfordelinger er præsenteret. Graphene nanoflakes kan opnås ved eksfoliering af grafit i den flydende fase, og eksfoliering tid bruges til at styre de nedre grænser for Graphene nanoflake størrelsesfordelinger. Centrifugering bruges med succes til at styre de øvre grænser for nanoparti størrelsesfordelinger. Formålet med dette arbejde er at kombinere eksfoliering og centrifugering til at kontrollere Graphene nanoflake størrelsesfordelinger i de resulterende suspensioner.
Introduction
Traditionelle metoder, der anvendes til at syntetisere Graphene nanofluider bruger ofte sonikering til at sprede Graphene pulver1 i væsker, og sonikering har vist sig at ændre størrelsesfordelingen af Graphene nanopartikler2. Da den termiske ledningsevne Graphene afhænger af flake længde3,4, syntesen af Graphene nanofluider med kontrollerbar flake størrelsesfordelinger er afgørende for varmeoverførsel applikationer. Kontrolleret centrifugering er blevet anvendt med succes på flydende eksfolierede Graphene dispersioner for at adskille suspensioner i fraktioner med forskellige gennemsnitlige flake størrelser5,6. Forskellige Terminal hastigheder, der anvendes ved centrifugering, fører til forskellige kritiske partikelstørrelser7. Den terminale hastighed kan anvendes til at eliminere store Graphene nanopartikler8.
For nylig er der indført størrelses kontrollerbare metoder til at syntetisere Graphene via flydende fase eksfoliering for at overvinde de grundlæggende problemer, som konventionelle metoder9,10,11, 12,13. Flydende fase eksfoliering af grafit har vist sig at være en effektiv måde at producere Graphene suspensioner14,15,16, og den underliggende mekanisme viser, at procesparametrene er relateret til nedre grænser for Graphene nanopartikler størrelsesfordelinger. Graphene nanofluider blev syntetiseret af den flydende eksfoliering af grafit ved hjælp af overfladeaktive stoffer17. Mens de nedre grænser for Graphene nanopartikel størrelsesfordeling kunne styres ved at justere parametrene under eksfoliering, mindre opmærksomhed er betalt til de øvre grænser for Graphene nanopartikel størrelsesfordeling.
Målet med dette arbejde er at udvikle en protokol, der kan bruges til at syntetisere Graphene nanofluider med kontrollerbar flake størrelsesfordelinger. Da eksfoliering kun er ansvarlig for den nedre grænse for den resulterende Graphene nanoflakes, introduceres yderligere centrifugering for at kontrollere den øvre størrelsesgrænse for den resulterende Graphene nanoflakes. Den foreslåede metode er imidlertid ikke specifik for Graphene og kan være hensigtsmæssig for andre lagdelte forbindelser, der ikke kan syntetiseres ved hjælp af traditionelle metoder.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. eksfoliering af grafit i en flydende fase
- Klargøring af reagenser
- I en tør, ren flad bund kolbe tilsættes 20 g polyvinylchlorid alkohol (PVA), hvorefter der tilsættes 1.000 mL destilleret vand.
Bemærk: hvis suspensionen ikke blev behandlet tilfredsstillende, kunne trinnet gentages for at opnå en yderligere suspension. - Stryg forsigtigt kolben, indtil PVA opløses helt.
Forsigtig: PVA er skadeligt for mennesker; således bør beskyttende handsker og kirurgiske masker anvendes. - Tilsæt 50 g grafit pulver til flad bundens kolbe, og Hvirvl forsigtigt kolben, indtil grafit pulveret er fuldt dispiteret i suspensionen.
- Overfør 500 mL af den resulterende suspension til et 500 mL bægerglas.
- Anbring bægerglasset under en forskydnings blander, og Placer bægerglasset nær midten af blande beholderen for at forhindre dannelsen af en hvirvel.
Bemærk: alle anvendte kemiske reagenser er af analytisk kvalitet.
- I en tør, ren flad bund kolbe tilsættes 20 g polyvinylchlorid alkohol (PVA), hvorefter der tilsættes 1.000 mL destilleret vand.
- Opsætning af udstyr
- Sænk blande hovedet til dets laveste position (30 mm fra basis planet).
- Lav et vandbad ved at fylde et 5.000 mL bægerglas med stuetemperatur (25 °C) og Placer 500 mL bæger i badet. Skift vand hver 30 min.
- Eksfoliering
- Start mixeren og øg hastigheden gradvist til 4.500 rpm; Bland med denne hastighed i 120 min.
- Udfør EKSF olierings trinnet fem gange i fem forudbestemte tider: 40 min, 60 min, 80 min, 100 min og 120 min. Blandings tiden bestemmer den nedre grænse for sidestørrelse for Graphene nanoflakes.
- Saml suspensionerne efter hvert EKSF olierings trin. Hvert EKSF olierings trin vil generere en 500 mL suspension. Mærk hver suspension med EKSF olierings tiden for yderligere behandling.
- Centrifuger den opsamlede suspension ved 140 x g i 45 min for at fjerne den ueksf olierede grafit.
- De øverste 80% af supernatanten opsamles fra hvert centrifugeglas for at finde yderligere Centrifugerings trin.
2. centrifugering
- Centrifuger den resulterende suspension ved 8.951 x g i 45 min.
- De øvre 50% af supernatanten opsamles i centrifugeglasset, og prøven afmærket med et tal.
- Sedimentet genbruges i bunden af centrifugeglasset fra trin 2,2. Tilsæt PVA/vand reagens fremstillet i trin 1.1.1 til sedimenter og ryste røret kraftigt i hånden, indtil sedimentet er godt spredt i suspensionen.
- Centrifuger suspensionen ved 8.951 x g i 45 min; Saml de øvre 80% for yderligere målinger.
- Det ovennævnte Centrifugerings trin gentages fire gange med fire forskellige centrifugeringshastigheder: 5.035 x g, 2.238 x g, 560 x gog 140 x g. Centrifugeringshastigheden bestemmer den øvre grænse for lateral størrelse af Graphene nanoflakes.
Bemærk: protokollen kan sættes på pause her.
3. koncentrationsmålinger af de resulterende nanofluider
- Opnå absorptionsspektre ved en bølgelængde på 660 nm ved hjælp af ultraviolet-synlig (UV-Vis) spektroskopi.
- Brug PVA/vand opløsningen, der er fremstillet i trin 1.1.1, til at kalibrere et UV-Vis-spektrometer; Indstil PVA/vand koncentrationerne til 0%.
- Tilsæt PVA/vand suspensionen til en tør, ren prøve celle med en stilængde på 10 mm, og få en aflæsning ved hjælp af producentens software. Klik på knappen Hent for at få diagrammet med måleresultater og gemme resultaterne.
- Gentag trin 3.1.2 for hver af de forskellige prøver, som er fremstillet i trin 2,5.
Bemærk: prøve cellen skal rengøres forsigtigt med destilleret vand og tørres inden brug hver gang.
- Bestem Graphene vægten i den resulterende suspension.
- Vakuum filter 100 mL prøve suspension ved hjælp af en nylon membran med en porestørrelse på 0,2 μm.
- Vask membran filmen med ca. 1.000 mL vand; Gentag dette trin tre gange, indtil alle faste stoffer vaskes fra membranen.
- Bestem den vaskede vandmasse med en høj præcision mikrobalance for at opnå vægten af de faste stoffer i 100 mL suspension.
Bemærk: vægtene omfatter både vægten af Graphene nanoflakes og PVA polymerer. - Analysér vandet med termo gravimetrisk analyse (TGA)18 for at bestemme PVA-koncentrationen.
- De gennemsnitlige udslettelses koefficient værdier for det PVA-stabiliserede system beregnes:
hvor A er absorbansen målt ved 660 nm ved hjælp af UV-Vis-spektroskopi, og jeg er den sti længde, der er rejst af UV-lyset under målingen; forholdet mellem absorbans A og Graphene koncentrationen CG er lineær. Ekstinktionskoefficienten ε er hældningen af den kurve, der er afbildet for absorbansen a som funktion af grafen for Graphene CG. Når ekstinktionskoefficienten ε bestemmes, kan CG bestemmes ved absorbansen A.
4. justering af koncentrationen af resulterende nanofluider
- Vakuum-Filtrer suspensionerne ved hjælp af en nylon membran med en porestørrelse på 0,2 μm.
- Tør membranen ved stuetemperatur i over 12 timer.
- Derefter skylles filmen med varmt deioniseret vand.
- Tør det deioniserede vand under et vakuum i 24 timer for at få Graphene nanosheets.
Bemærk: produktionshastigheden af Graphene er ca. 1 mg/mL. Hvis den ønskede koncentration er lavere end dette, så er det nemt at få det kun ved at tilføje PVA/vand. Hvis den ønskede koncentration er højere end 1%, er tørreprocessen nødvendig. Her viser vi en tilstand med en ønsket koncentration på 2%. - Tilsæt PVA/vand opløsningen eller Graphene nanosheets for at justere koncentrationen.
- Hvis den ønskede koncentration er mindre end produktionshastigheden, tilsættes den PVA/vand opløsning, der er fremstillet i trin 1.1.1 for at opnå den ønskede koncentration.
5. måling af størrelses fordelingerne med dynamisk lysspredning
- Tænd for nanopartikel Analyzer og Juster detektoren til C label. Anbring prøve ophænget på prøve panelet.
- Åbn korrelator Control Window software.
- Klik på ikke-negativ begrænset mindste firkant: multiple pass i menuen.
- Indstil den forløbne tid til 2 min.
- Vælg vand som opløsningsmiddel type.
- Skift diameteren af detektoren til 100 nm.
- Klik på knappen test for at få udlæseligt og gemme resultaterne.
- Gentag trin 5.1-5.7 for hver af de prøver, som er forberedt efter trin 4.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Forekomsten af Graphene nanosheets kan valideres af forskellige karakteristiske teknikker. Figur 1 viser resultaterne af UV-Vis-målingen for de forskellige størrelsesfordelinger af flake, der er fremstillet ved ovennævnte protokol. Spektra absorbans peak opnået ved en bølgelængde på 270 nm er tegn på Graphene flager. Forskellige abscisse svarer til forskellige koncentrationer. Den observerede laveste absorbans svarer til den højeste centrifugeringshastighed. Spektrene bekræfter kraftigt, at Graphene findes.
D-båndet og 2D-båndet i Raman-spektroskopi kunne bruges til at bestemme flake tykkelsen af Graphene nanoflakes. Figur 2 viser Raman-analysen for de resulterende nanoflakes. D-båndet i Raman Spectrum er relateret til Graphene SP3 Carbon atomer, der kan bidrage til at skelne mellem den oprindelige grafit og Graphene nanoflakes. Ved hjælp af Raman spektroskopi blev det opdaget, at intensiteten af D-bånd toppe stiger med stigende centrifugeringshastighed. Samtidig er D-bånd intensiteten lav, fordi de producerede Graphene nanosheets kan være fejlfri.
Dynamisk lys spredning bruges ofte til at undersøge nanopartikel størrelsesfordelinger af dispersionen. Under forsøgene blev der scannet mere end 3.000 nanopartikler af hver prøve for at undersøge størrelsesfordelingen. Den D50 underkop diameter blev brugt til at repræsentere den gennemsnitlige diameter af den resulterende dispersion. Figur 3 viser størrelsesfordelingen af den resulterende suspension tilberedt ved hjælp af forskellige centrifugeringshastigheder.
Et TEM-billede er en af de mest instinktive måder at skelne Graphene nanosheets og grafit nanostrukturer. Lagnummeret kan let bestemmes ud fra TEM-billedet. Figur 4 viser resultaterne af transmissionselektronmikroskopi (tem) for de resulterende nanofsøer, hvilket tydeligt viser, at Graphene produceres. Figur 5 viser resultaterne af scannings elektronmikroskopi (SEM), som viser, at eksfoliering er vellykket.
Da den resulterende Graphene dispersion har to klare størrelsesfordelinger, blev den gennemsnitlige diameter af hver størrelsesfordeling præsenteret i figur 6 for at vise effekten af Centrifugerings trinnet. Figuren viser, at Centrifugerings trinnet kun virkede på nanopartikler med gennemsnitlige diametre, der var større end 1.000 Nm. Figur 6 viser de gennemsnitlige flake-størrelser på de to toppe, der findes i størrelsesfordelingen, og validerer antagelsen om, at centrifugering kun påvirker store flager.
Figur 1. UV-Vis udryddelse spektre efter centrifugering ved forskellige centrifugeringshastigheder.
Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Raman Spectra af Initial grafit pulvere og centrifugeret Graphene nanoflakes opnået ved hjælp af forskellige centrifugeringshastigheder.
Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Størrelsesfordelinger af de resulterende suspensioner opnået ved hjælp af forskellige centrifugeringshastigheder.
Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4. Resultater for de resulterende nanofsøer.
Prøverne blev fremstillet med 4500 rpm rotor hastigheder, og centrifugeringshastigheden var 8.951 x g. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5. SEM resultater for eksfoliated nanoflakes.
Prøven blev fremstillet ved hjælp af en EKSF olierings periode på 60 min og en rotorhastighed på 4500 rpm. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6. Mean flake størrelser på to toppe i størrelsesfordelingen.
Størrelsesfordelingen af den resulterende suspension viser to toppe. Grafen viser, at centrifugering kun virker på nanopartikler med gennemsnitlige diametre større end 1.000 Nm. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vi har foreslået en metode til syntese af Graphene nanofluider med kontrollerbar flake størrelsesfordelinger. Metoden kombinerer to procedurer: eksfoliering og centrifugering. Eksfoliering kontrollerer nanopartiklenes nedre størrelsesgrænse, og Centrifugerings kontrol styrer nanopartiklenes øvre størrelsesgrænse.
Selv om vi beskæftigede flydende fase eksfoliering af grafit til fremstilling af Graphene nanopartikler, bør følgende ændringer af protokollen overvejes. Yderligere eksfotabsparametre (f. eks. rotorhastighed, grafit koncentration og brug af andre overfladeaktive stoffer) bør overvejes for at opnå den nedre størrelsesgrænse for Graphene nanosheets. Under centrifugering er Terminal hastigheden afgørende for at bestemme den kritiske afregning partikelstørrelse, som kunne bruges til at styre den øvre grænse for nanopartikel størrelsesfordelinger. Den terminale hastighed, som bestemmes af centrifugeringshastigheden, bør varieres med forskellige typer centrifuger. Brugen af en superkritisk væske, samt andre bistandsmetoder, kan anvendes til at øge effektiviteten af den foreslåede metode.
Den metode, der præsenteres i dette arbejde er afhængig af flere teknikker (f. eks UV-Vis spektroskopi) til at måle koncentrationen, og flake størrelse var ikke godt kontrolleret. Desuden vil den metode, der er beskrevet i dette arbejde, øge produktionsomkostningerne. Selv om denne metode kan være tilstrækkelig til at producere Graphene suspensioner, Graphene lag kunne ikke styres for at opnå mere effektiv varmeoverførsel.
Betydningen af den foreslåede metode er, at flake længder har en smal størrelse fordeling. Traditionelle metoder, såsom sonikering, ændre størrelsesfordelingen af Graphene nanoflakes. Dette fører til ukendte virkninger på brugen af Graphene nanoflakes i varme overførings applikationer.
Som produktionsteknologi Graphene via flydende fase eksfoliering hurtigt vokser, superkritisk væske-fase CO2 og ultralyd kan anvendes til en shear mixer til at hjælpe med at fabrikere mindre Graphene nanosheets. Desuden kan denne metode også anvendes til fremstilling af andre lagdelte forbindelser.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har intet at afsløre.
Acknowledgments
Dette arbejde blev støttet af national Nature Science Foundation i Kina (Grant No. 21776095), Guangzhou videnskab og teknologi Key program (Grant No. 201804020048), og Guangdong Key Laboratory af Clean Energy Technology (Grant No. 2008A060301002). Vi takker LetPub (www.letpub.com) for sin sproglige bistand under forberedelsen af dette 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).
