Synthese von Graphen-Nanofluiden mit kontrollierbaren Flake-Größenverteilungen

Zusammenfassung

Eine Methode zur Synthese von Graphen-Nanofluiden mit steuerbaren Flockengrößenverteilungen wird vorgestellt.

Zusammenfassung

Eine Methode zur Synthese von Graphen-Nanofluiden mit steuerbaren Flockengrößenverteilungen wird vorgestellt. Graphen-Nanoflakes können durch das Peeling von Graphit in der flüssigen Phase erhalten werden, und die Peeling-Zeit wird verwendet, um die unteren Grenzen der Graphen-Nanoflake-Größenverteilungzuteilungen zu kontrollieren. Die Zentrifugation wird erfolgreich eingesetzt, um die oberen Grenzen der Nanopartikelgrößenverteilungen zu kontrollieren. Ziel dieser Arbeit ist es, Peeling und Zentrifugation zu kombinieren, um die Graphen-Nanoflake-Größenverteilungen in den resultierenden Suspensionen zu steuern.

Einleitung

Herkömmliche Methoden zur Synthese von Graphen-Nanofluiden verwenden häufig Beschallung, um Graphenpulver¹ in Flüssigkeiten zu dispergieren, und die Beschallung hat sich bewährt, um die Größenverteilung von Graphen-Nanopartikeln zu ändern². Da die Wärmeleitfähigkeit von Graphen von der Flockenlänge^3,4abhängt, ist die Synthese von Graphen-Nanofluiden mit steuerbaren Flockengrößenverteilungen für Wärmeübertragungsanwendungen von entscheidender Bedeutung. Die kontrollierte Zentrifugation wurde erfolgreich auf flüssige exfoliierte Graphendispersionen angewendet, um Suspensionen in Fraktionen mit unterschiedlichen mittleren Flockengrößen^5,6zu trennen. Unterschiedliche Klemmengeschwindigkeiten, die in der Zentrifugation verwendet werden, führen zu unterschiedlichen kritischen Setzpartikelgrößen⁷. Die Endgeschwindigkeit könnte verwendet werden, um große Graphen-Nanopartikel⁸zu eliminieren.

Kürzlich wurden größenkontrollierbare Methoden zur Synthese von Graphen über Flüssigphasenpeeling eingeführt, um die grundlegenden Probleme der herkömmlichen Methoden^{9,10,11, 12,13}. Flüssiges Phasenpeeling von Graphit hat sich als eine effektive Möglichkeit erwiesen, Graphensuspensionen^14,15,16, zu erzeugen, und der zugrunde liegende Mechanismus zeigt, dass die Prozessparameter grenzwerte für die Größenverteilungen von Graphen-Nanopartikeln. Die Graphen-Nanofluide wurden durch das flüssige Peeling des Graphites mit Hilfe von Tensiden¹⁷synthetisiert. Während die unteren Grenzen der Graphen-Nanopartikelgrößenverteilung durch Anpassen der Parameter während der Peeling-Form gesteuert werden könnten, wird weniger auf die oberen Grenzwerte der Graphen-Nanopartikelgrößenverteilung geachtet.

Das Ziel dieser Arbeit ist es, ein Protokoll zu entwickeln, das verwendet werden kann, um Graphen-Nanofluide mit kontrollierbaren Flockengrößenverteilungen zu synthetisieren. Da das Peeling nur für die untere Größengrenze der resultierenden Graphennanoflakes verantwortlich ist, wird eine zusätzliche Zentrifugation eingeführt, um die obere Größengrenze der resultierenden Graphennofseen zu kontrollieren. Die vorgeschlagene Methode ist jedoch nicht spezifisch für Graphen und könnte für alle anderen geschichteten Verbindungen geeignet sein, die nicht mit herkömmlichen Methoden synthetisiert werden können.

Protokoll

1. Peeling von Graphit in einer flüssigen Phase

1. Herstellung von Reagenzien
   1. In einem trockenen, sauberen Flachbodenkolben 20 g Polyvinylalkohol (PVA) hinzufügen und dann 1.000 ml destilliertes Wasser hinzufügen.
      HINWEIS: Wenn die Suspension nicht zur Zufriedenheit verarbeitet wurde, könnte der Schritt wiederholt werden, um eine zusätzliche Suspension zu erhalten.
   2. Den Kolben vorsichtig wirbeln, bis sich die PVA vollständig auflöst.
      VORSICHT: PVA ist schädlich für den Menschen; daher sollten Schutzhandschuhe und chirurgische Masken verwendet werden.
   3. Fügen Sie 50 g Graphitpulver in den Flachbodenkolben und wirbeln Sie den Kolben vorsichtig, bis sich das Graphitpulver vollständig in der Suspension verteilt.
   4. 500 ml der resultierenden Aufhängung auf ein 500 ml Becherstück übertragen.
   5. Legen Sie den Becher unter einen Schermischer und positionieren Sie den Becher in der Nähe der Mitte des Mischgefäßes, um die Bildung eines Wirbels zu verhindern.
      HINWEIS: Alle verwendeten chemischen Reagenzien sind analytischer Art.
2. Ausrüstungsaufbau
   1. Senken Sie den Mischkopf auf seine niedrigste Position (30 mm von der Basisebene).
   2. Machen Sie ein Wasserbad, indem Sie einen 5.000 ml Becher mit Raumtemperatur (25 °C) Wasser füllen und den 500 ml Becher in das Bad stellen. Wechseln Sie das Wasser alle 30 min.
3. Peeling
   1. Starten Sie den Mixer und erhöhen Sie die Geschwindigkeit schrittweise auf 4.500 Rpm; mischen Sie bei dieser Geschwindigkeit für 120 min.
   2. Führen Sie den Peelingschritt fünfmal für fünf vorgegebene Zeiten aus: 40 min, 60 min, 80 min, 100 min und 120 min. Die Mischzeit bestimmt die untere seitliche Größengrenze der Graphennofen.
   3. Sammeln Sie die Suspensionen nach jedem Peeling-Schritt. Jeder Peelingschritt erzeugt eine 500 ml Suspension. Etikettieren Sie jede Suspension mit der Peelingzeit für die weitere Behandlung.
   4. Zentrifugieren Sie die gesammelte Suspension bei 140 x g für 45 min, um den nicht foliatierten Graphit zu entfernen.
   5. Sammeln Sie die oberen 80% des Überstandes aus jedem Zentrifugenrohr für einen zusätzlichen Zentrifugationsschritt.

2. Zentrifugation

1. Zentrifugieren Sie die resultierende Suspension bei 8.951 x g für 45 min.
2. Sammeln Sie die oberen 50% des Überstandes im Zentrifugenrohr, und beschriften Sie die Probe mit einer Zahl.
3. Recyceln Sie das Sediment auf dem Boden des Zentrifugenrohres ab Schritt 2.2. Fügen Sie das in Schritt 1.1.1 hergestellte PVA/Wasserreagenz in die Sedimente ein und schütteln Sie das Rohr kräftig von Hand, bis das Sediment in der Suspension gut dispergiert ist.
4. Zentrifugieren Sie die Suspension bei 8.951 x g für 45 min; die oberen 80 % für weitere Messungen zu sammeln.
5. Wiederholen Sie den oben genannten Zentrifugationsschritt viermal mit vier verschiedenen Zentrifugationsgeschwindigkeiten: 5.035 x g, 2.238 x g, 560 x gund 140 x g. Die Zentrifugationsgeschwindigkeit bestimmt die obere seitliche Größengrenze der Graphennofken.
   HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden.

3. Konzentrationsmessungen der resultierenden Nanofluide

1. Erhalten Sie Absorptionsspektren bei einer Wellenlänge von 660 nm mittels ultraviolett-sichtbarer (UV-Vis) Spektroskopie.
   1. Verwenden Sie die in Schritt 1.1.1 hergestellte PVA/Wasserlösung, um ein UV-Vis-Spektrometer zu kalibrieren; die PVA/Wasserkonzentrationen auf 0% einstellen.
   2. Fügen Sie die PVA/Wassersuspension in eine trockene, saubere Probenzelle mit einer Pfadlänge von 10 mm ein und erhalten Sie eine Auslesung mit der Software des Herstellers. Klicken Sie auf die Schaltfläche Abrufen, um das Messergebnisdiagramm zu erhalten und die Ergebnisse zu speichern.
   3. Wiederholen Sie Schritt 3.1.2 für jede der verschiedenen Proben, die in Schritt 2.5 erstellt wurden.
      HINWEIS: Die Probenzelle muss sorgfältig mit destilliertem Wasser gereinigt und vor dem Gebrauch jedes Mal getrocknet werden.
2. Bestimmen Sie das Graphengewicht in der resultierenden Suspension.
   1. Vakuumfilter die 100 ml Probensuspension mit einer Nylonmembran mit einer Porengröße von 0,2 m.
   2. Waschen Sie die Membranfolie mit ca. 1.000 ml Wasser; Wiederholen Sie diesen Schritt dreimal, bis alle Feststoffe aus der Membran gewaschen werden.
   3. Bestimmen Sie die gewaschene Wassermasse mit einer hochpräzisen Mikrowaage, um das Gewicht der Feststoffe in der 100 ml Suspension zu erhalten.
      HINWEIS: Die Gewichte umfassen sowohl das Gewicht der Graphen-Nanoflakes als auch die PVA-Polymere.
   4. Analysieren Sie das Wasser mit thermogravimetrischer Analyse (TGA)^18, um die PVA-Konzentration zu bestimmen.
   5. Berechnen Sie die mittleren Aussterbekoeffizientenwerte des PVA-stabilisierten Systems:
      
      wobei A die Absorption simpere, die bei 660 nm mit UV-Vis-Spektroskopie gemessen wird, und I die Vom UV-Licht während der Messung zurückgelegte Pfadlänge ist; die Beziehung zwischen der Absorption Sa und der Graphenkonzentration C_G ist linear. Der Aussterbekoeffizient b ist die Steigung der Kurve, die für die Absorption A in Abhängigkeit von der Graphenkonzentration C_Gdargestellt wird. Wenn der Aussterbekoeffizient n bestimmt wird, kann C_G durch die Absorption A bestimmt werden.

4. Anpassung der Konzentration der resultierenden Nanofluide

1. Vakuumfilteren Sie die Suspensionen mit einer Nylonmembran mit einer Porengröße von 0,2 m.
2. Trocknen Sie die Membran bei Raumtemperatur über 12 h.
3. Anschließend den Film mit heißem entionisiertem Wasser abspülen.
4. Trocknen Sie das entionisierte Wasser unter einem Vakuum für 24 h, um die Graphen-Nanoblätter zu erhalten.
   HINWEIS: Die Produktionsrate von Graphen beträgt ca. 1 mg/ml. Wenn die gewünschte Konzentration niedriger ist, dann ist es einfach, sie nur durch Zugabe von PVA/Wasser zu erhalten. Wenn die gewünschte Konzentration höher als 1% ist, ist der Trocknungsprozess notwendig. Hier zeigen wir einen Zustand mit einer gewünschten Konzentration von 2%.
5. Fügen Sie die PVA/Wasserlösung oder Graphen-Nanoblätter hinzu, um die Konzentration anzupassen.
6. Wenn die gewünschte Konzentration unter der Produktionsrate liegt, fügen Sie die in Schritt 1.1.1 vorbereitete PVA/Wasserlösung hinzu, um die gewünschte Konzentration zu erhalten.

5. Messung der Größenverteilungen mit dynamischer Lichtstreuung

1. Schalten Sie den Nanopartikelanalysator ein und passen Sie den Detektor auf das C-Label an. Legen Sie die Probenaufhängung auf das Testpanel.
2. Öffnen Sie die Software für das Korrektursteuerungsfenster.
3. Klicken Sie im Menü auf Nicht-Negatives Constrained-Kleinstes: Mehrfachpass.
4. Stellen Sie die verstrichene Zeit auf 2 min ein.
5. Wählen Sie Wasser als Lösungsmitteltyp aus.
6. Ändern Sie den Durchmesser des Detektors auf 100 nm.
7. Klicken Sie auf die Schaltfläche Test, um die Auslesung zu erhalten und die Ergebnisse zu speichern.
8. Wiederholen Sie die Schritte 5.1-5.7 für jede der nach Schritt 4 erstellten Proben.

Ergebnisse

Die Existenz von Graphen-Nanoblättern kann durch verschiedene charakteristische Techniken validiert werden. Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse der UV-Vis-Messung für die verschiedenen Flockengrößenverteilungen, die durch das oben genannte Protokoll erzeugt werden. Der Spektrenabsorptionspeak, der bei einer Wellenlänge von 270 nm erreicht wird, ist ein Beweis für die Graphenflocken. Unterschiedliche Absorptionen entsprechen unterschiedlichen Konzentrationen. Die niedrigste beobachtete Abs...

Diskussion

Wir haben eine Methode zur Synthese von Graphen-Nanofluiden mit kontrollierbaren Flockengrößenverteilungen vorgeschlagen. Die Methode kombiniert zwei Verfahren: Peeling und Zentrifugation. Peeling steuert die untere Größengrenze der Nanopartikel und zentrifugieren die obere Größengrenze der Nanopartikel.

Obwohl wir flüssiges Phasenpeeling von Graphit zur Herstellung von Graphen-Nanopartikeln eingesetzt haben, sollten die folgenden Änderungen am Protokoll in Betracht gezogen werden. Zus...

Materialien

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
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