JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يتم تقديم طريقة لتوليف nanofluids الجرافين مع توزيعات حجم رقائق يمكن التحكم فيها.

Abstract

يتم تقديم طريقة لتوليف nanofluids الجرافين مع توزيعات حجم رقائق يمكن التحكم فيها. يمكن الحصول على رقائق الجرافين النانوية عن طريق تقشير الجرافيت في المرحلة السائلة، ويستخدم وقت التقشير للسيطرة على الحدود الدنيا لتوزيعات حجم رقائق الجرافين النانوية. يتم استخدام الطرد المركزي بنجاح للسيطرة على الحدود العليا لتوزيعات حجم الجسيمات النانوية. والهدف من هذا العمل هو الجمع بين التقشير والطرد المركزي للسيطرة على توزيعات حجم رقائق الجرافين النانوية في حالات التعليق الناتجة.

Introduction

الطرق التقليدية المستخدمة لتجميع nanofluids الجرافين غالبا ما تستخدم sonication لتفريق مسحوق الجرافين1 في السوائل، وقد ثبت sonication لتغيير توزيع حجم الجسيمات النانوية الجرافين2. منذ الموصلية الحرارية من الجرافين يعتمد على طول رقاقة3،4، وتوليف nanofluids الجرافين مع توزيعات حجم رقائق يمكن التحكم فيها أمر حيوي لتطبيقات نقل الحرارة. وقد تم تطبيق الطرد المركزي الخاضع للرقابة بنجاح على تشتت الجرافين السائل المقشر لفصلالمعلقات إلى كسور مع أحجام رقائق متوسط مختلفة 5،6. سرعات المحطة الطرفية المختلفة المستخدمة في الطرد المركزيتؤدي إلى أحجام مختلفة الجسيمات تسوية الحرجة 7. ويمكن استخدام سرعة المحطة الطرفية للقضاء على جسيمات الجرافين النانوية الكبيرة8.

في الآونة الأخيرة، تم إدخال أساليب يمكن التحكم فيها الحجم المستخدمة لتجميع الجرافين عن طريقتقشير المرحلة السائلة للتغلب على المشاكل الأساسية التي تواجهها الطرق التقليدية 9،10،11، 12و13 . وقد ثبت أن تقشير المرحلة السائلة من الجرافيت وسيلة فعالة لإنتاج تعليق الجرافين14،15،16،وتبين الآلية الأساسية أن المعلمات العملية ترتبط الحد الأدنى لتوزيعات حجم جسيمات الجرافين النانوية. تم تصنيع نانوسوائل الجرافين بواسطة تقشير السائل من الجرافيت بمساعدة المواد السطحية17. في حين يمكن التحكم في الحدود الدنيا لتوزيع حجم الجسيمات النانوية الجرافين عن طريق ضبط المعلمات أثناء التقشير، يتم إيلاء اهتمام أقل للحدود العليا لتوزيع حجم الجسيمات النانوية الجرافين.

والهدف من هذا العمل هو وضع بروتوكول يمكن استخدامه لتجميع السوائل النانوية الجرافين مع توزيعات حجم رقائق يمكن التحكم فيها. لأن التقشير هو المسؤول فقط عن الحد الأدنى لحجم رقائق الجرافين النانوية الناتجة، يتم إدخال الطرد المركزي إضافية للسيطرة على الحد الأعلى لحجم نانوفليكس الجرافين الناتجة. غير أن الطريقة المقترحة ليست خاصة بالجرافين ويمكن أن تكون مناسبة لأي مركبات أخرى ذات طبقات لا يمكن توليفها باستخدام الأساليب التقليدية.

Protocol

1. تقشير الجرافيت في مرحلة سائلة

  1. إعداد الكواشف
    1. في قارورة مسطحة القاع الجافة، إضافة 20 غرام من الكحول البولي فينيل (PVA)، ثم إضافة 1000 مل من الماء المقطر.
      ملاحظة: إذا لم تتم معالجة التعليق على نحو يرضي، يمكن تكرار الخطوة للحصول على تعليق إضافي.
    2. تدور القارورة برفق حتى يذوب PVA بالكامل.
      تحذير: PVA ضارة بالبشر; وبالتالي، ينبغي استخدام القفازات الواقية والأقنعة الجراحية.
    3. أضف 50 غ من مسحوق الجرافيت إلى قارورة القاع المسطح، وندور بلطف على القارورة حتى يتفرق مسحوق الجرافيت تمامًا في التعليق.
    4. نقل 500 مل من التعليق الناتج إلى كوب 500 مل.
    5. وضع الكأس تحت خلاط القص، ووضع الكأس بالقرب من وسط وعاء الخلط لمنع تشكيل دوامة.
      ملاحظة: جميع الكواشف الكيميائية المستخدمة هي من الدرجة التحليلية.
  2. إعداد المعدات
    1. خفض رئيس خلط إلى أدنى موقف لها (30 ملم من الطائرة الأساسية).
    2. جعل حمام الماء عن طريق ملء 5000 مل الكأس مع درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية) المياه ووضع 500 مل الكأس في الحمام. تغيير الماء كل 30 دقيقة.
  3. تقشير
    1. بدء خلاط وزيادة السرعة تدريجيا إلى 4500 دورة في الدقيقة. مزيج في هذه السرعة لمدة 120 دقيقة.
    2. قم بإجراء خطوة التقشير خمس مرات لمدة خمس مرات محددة مسبقًا: 40 دقيقة و60 دقيقة و80 دقيقة و100 دقيقة و120 دقيقة. يحدد وقت الخلط الحد الأدنى للحجم الجانبي لرقائق الجرافين النانوية.
    3. جمع تعليق بعد كل خطوة تقشير. كل خطوة تقشير توليد تعليق 500 مل. قم بتسمية كل تعليق مع وقت التقشير لمزيد من العلاج.
    4. طرد مركزي التعليق التي تم جمعها في 140 × ز لمدة 45 دقيقة لإزالة الجرافيت غير مقشر.
    5. جمع أعلى 80٪ من supernatant من كل أنبوب الطرد المركزي لخطوة الطرد المركزي إضافية.

2- الطرد المركزي

  1. الطرد المركزي التعليق الناتج في 8,951 × ز لمدة 45 دقيقة.
  2. جمع الجزء العلوي 50٪ من supernatant في أنبوب الطرد المركزي، وتسمية العينة مع عدد.
  3. إعادة تدوير الرواسب في الجزء السفلي من أنبوب الطرد المركزي من الخطوة 2.2. إضافة PVA / كاشف المياه المعدة في الخطوة 1-1-1 إلى الرواسب ويهز الأنبوب بقوة باليد حتى يتم تفريق الرواسب بشكل جيد في التعليق.
  4. طرد مركزي التعليق في 8,951 × ز لمدة 45 دقيقة; جمع 80٪ العلوي لمزيد من القياسات.
  5. كرر خطوة الطرد المركزي المذكورة أعلاه أربع مرات مع أربع سرعات الطرد المركزي مختلفة: 5,035 × ز, 2,238 × ز,560 × ز,و 140 × ز. تحدد سرعة الطرد المركزي الحد الجانبي العلوي لحجم رقائق الجرافين النانوية.
    ملاحظة: يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتاً هنا.

3- قياسات تركيز السوائل النانوية الناتجة عن ذلك

  1. الحصول على أطياف الامتصاص على طول موجة من 660 نانومتر باستخدام الأشعة فوق البنفسجية المرئية (UV-Vis) مطيافية.
    1. استخدام محلول PVA/المياه المعد في الخطوة 1-1-1 لمعايرة مطياف الأشعة فوق البنفسجية-Vis؛ تعيين تركيزات PVA / المياه إلى 0٪.
    2. أضف تعليق PVA/water إلى خلية عينة جافة نظيفة بطول مسار يبلغ 10 مم واحصل على قراءة باستخدام برنامج الشركة المصنعة. انقر فوق الزر الحصول على للحصول على الرسم البياني لنتائج القياس وحفظ النتائج.
    3. كرر الخطوة 3.1.2 لكل من العينات المختلفة التي تم إعدادها في الخطوة 2.5.
      ملاحظة: يجب تنظيف خلية العينة بعناية بالماء المقطر وتجفيفها قبل استخدامها في كل مرة.
  2. تحديد وزن الجرافين في التعليق الناتج.
    1. فراغ تصفية تعليق عينة 100 مل باستخدام غشاء النايلون مع حجم المسام من 0.2 م.
    2. غسل فيلم الغشاء مع ما يقرب من 1000 مل من الماء. كرر هذه الخطوة ثلاث مرات حتى يتم غسل جميع المواد الصلبة من الغشاء.
    3. تحديد كتلة المياه المغسولة مع توازن دقيق عالي الدقة للحصول على وزن المواد الصلبة في تعليق 100 مل.
      ملاحظة: تشمل الأوزان كل من وزن رقائق الجرافين النانوية والبوليمرات PVA.
    4. تحليل المياه مع تحليل قياس الجاذبية الحرارية (TGA)18 لتحديد تركيز PVA.
    5. حساب قيم معامل الانقراض المتوسط للنظام المستقر بـ PVA:
      figure-protocol-3855
      حيث A هو امتصاص تقاس في 660 نانومتر باستخدام الأشعة فوق البنفسجية-فيس مطيافية، وأنا هو طول المسار سافر بواسطة ضوء الأشعة فوق البنفسجية أثناء القياس؛ العلاقة بين الامتصاص A وتركيز الجرافين CG خطية. معامل الانقراض هو منحدر المنحنى المرسوم للامتصاص A كدالة لتركيز الجرافين CG. عندما يتم تحديد معامل الانقراض ، يمكن تحديد CG عن طريق الامتصاص A.

4. ضبط تركيز السوائل النانوية الناتجة

  1. فراغ تصفية المعلقات باستخدام غشاء النايلون مع حجم المسام من 0.2 م.
  2. تجفيف الغشاء في درجة حرارة الغرفة لأكثر من 12 ساعة.
  3. في وقت لاحق، شطف الفيلم بالماء منزوع الأيونات الساخنة.
  4. تجفيف الماء منزوع الأيونات تحت فراغ لمدة 24 ساعة للحصول على النانوشيتات الجرافين.
    ملاحظة: يبلغ معدل إنتاج الجرافين حوالي 1 ملغم/مل. إذا كان التركيز المطلوب أقل من هذا، فمن السهل الحصول عليه فقط عن طريق إضافة PVA / الماء. إذا كان التركيز المطلوب أعلى من 1٪، ثم عملية التجفيف ضرورية. هنا، ونحن تبين حالة مع التركيز المطلوب من 2٪.
  5. إضافة محلول PVA / المياه أو ورقة نانوية الجرافين لضبط التركيز.
  6. وإذا كان التركيز المطلوب أقل من معدل الإنتاج، يضاف محلول PVA/water المعد في الخطوة 1-1-1 للحصول على التركيز المطلوب.

5. قياس توزيعات الحجم مع تشتت الضوء الديناميكي

  1. قم بتشغيل محلل الجسيمات النانوية واضبط الكاشف على تسمية C. ضع تعليق العينة على لوحة الاختبار.
  2. افتح برنامج نافذة التحكم correlator.
  3. انقر فوق مربع أقل قيود غير سالبة: تمرير متعددة في القائمة.
  4. تعيين الوقت المنقضي إلى 2 دقيقة.
  5. حدد الماء كنوع المذيبات.
  6. تغيير قطر الكاشف إلى 100 نانومتر.
  7. انقر فوق زر الاختبار للحصول على القراءة وحفظ النتائج.
  8. كرر الخطوات 5.1 إلى 5.7 لكل من العينات التي تم إعدادها بعد الخطوة 4.

النتائج

يمكن التحقق من وجود صفائح الجرافين النانوية من خلال تقنيات مميزة مختلفة. ويبين الشكل 1 نتائج قياس الأشعة فوق البنفسجية -Vis لمختلف توزيعات حجم الرقائق التي ينتجها البروتوكول المذكور أعلاه. ذروة امتصاص الأطياف التي تم الحصول عليها في الطول الموجي من 270 نانومتر هو دليل على رقا...

Discussion

لقد اقترحنا منهجية لتوليف nanofluids الجرافين مع توزيعات حجم رقائق يمكن التحكم فيها. وتجمع هذه الطريقة بين إجراءين: التقشير والطرد المركزي. التقشير يتحكم في الحد الأدنى لحجم الجسيمات النانوية، والسيطرة على الطرد المركزي الحد الأعلى لحجم الجسيمات النانوية.

على الرغم من أننا است...

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

وقد دعم هذا العمل المؤسسة الوطنية لعلوم الطبيعة في الصين (المنحة رقم 21776095)، وبرنامج قوانغتشو الرئيسي للعلوم والتكنولوجيا (المنحة رقم 201804020048)، ومختبر قوانغدونغ الرئيسي لتكنولوجيا الطاقة النظيفة (المنحة رقم 2008A060301002). نشكر ليتبوب (www.letpub.com) على مساعدتها اللغوية أثناء إعداد هذه المخطوطة.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
BeakerChina Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.500 mL
BeakerChina Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.5000 mL
Deionized waterGuangzhou Yafei Water Treatment Equipment Co., Ltd.analytical grade
Electronic balanceShanghai Puchun Co., Ltd.JEa10001
Filter membraneChina Tianjin Jinteng Experiment Equipments Co., Ltd.0.2 micron
Graphite powderTianjin Dengke chemical reagent Co., Ltd.analytical grade
Hand glovesChina Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.
Laboratory shear mixerShanghai Specimen and Model Factoryjrj-300
Long neck flat bottom flaskChina Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.1000 ml
Nanoparticle analyzerHORIBA, Ltd.SZ-100Z
PVAShanghai Yingjia Industrial Development Co., Ltd.1788analytical grade
Raman spectrophotometerHORIBA, Ltd.Horiba LabRam 2
Scanning electron microscopeZeiss Co., Ltd.LEO1530VPSEM
Surgical maskChina Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.for one-time use
Thermal Gravimetric AnalyzerGerman NETZSCH Co., Ltd.NETZSCH TG 209 F1 LibraTGA analysis
Transmission electron microscopeJapan Electron Optics Laboratory Co., Ltd.JEM-1400plusTEM
UV-Vis spectrophotometerAgilent Technologies, Inc.+BB2:B18Varian Cary 60

Try the professional online HTML editor

References

  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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

149

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved