ВЛИЯНИЕ ФОРМЫ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ НА ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ ЕСТЕСТВЕННОГО ГРАФИТА В ВОДНОЙ СРЕДЕ
Аннотация
В настоящей работе проведена оценка эффективной энергонапряженности, мощности и плотности потока механической энергии ультразвукового излучения, которая передается установками с различной мощностью с цилиндрическими излучателями с различной площадью поперечного сечения (от 0,2 до 1,76 см2), а также излучателем грибовидной формы (площадью 1,76 см2) при измельчении естественного графита в водных суспензиях. Измерения проводились калориметрическим методом по скорости нагрева жидкости. Было показано, что с уменьшением поперечного сечения ультразвукового излучателя, эффективная мощность передаваемых ультразвуковых механических колебаний увеличивается. С использованием метода лазерной дифракции, а также кондуктометрии и турбидиметрии суспензий, использованных в качестве интегральных методов исследования, получены зависимости средних размеров частиц, электропроводности и мутности водных суспензий естественного графита от эффективной мощности ультразвукового излучения для двух установок с различной акустической мощностью при времени обработки 1 и 6 ч. Измерения показали уменьшение среднего размера частиц, рост электропроводности и мутности суспензий при увеличении эффективной мощности, передаваемой ультразвуковым излучателем. Также показано, что увеличение эффективной передаваемой мощности на излучателе в 4 раза (от примерно 7 до 28 Вт) не приводит к заметному изменению размеров частиц, однако при этом заметно повышается удельная электропроводность и мутность суспензий. Достигнутый уровень размеров частиц (менее 10 мкм), электропроводности (более 150 мкСм/см) и мутности (около 300 NTU) суспензий позволяет говорить о протекании процесса эксфолиации естественного графита с получением малослойных графеновых частиц на основе опубликованных экспериментальных данных. Полученные в работе результаты важны для проектирования промышленных установок получения графена.
Для цитирования:
Находнова А.В., Данилов Е.А., Гончарова Н.Н., Ворхлик А.В., Самойлов В.М. Влияние формы ультразвукового излучателя на интенсивность измельчения естественного графита в водной среде. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 7. С. 115-121. DOI: 10.6060/ivkkt.20226507.6675.
Литература
Novoselov K.S., Fal’Ko V.I., Colombo L., Gellert P.R., Schwab M.G., Kim K. A roadmap for graphene. Nature. 2012. V. 490. N 7419. P. 192-200.
Franco M., Correia V., Marques P., Sousa F., Silva R., Figueiredo B.R., Bernardes A., Silva A.P., Lanceros-Mendez S., Costa P. Environmentally friendly graphene‐based conductive inks for multitouch capacitive sensing surfaces. Adv. Mater. Interfaces. 2011. V. 8. N 18. P. 2100578.
Xu Y., Cao H., Xue Y., Li B., Cai W. Liquid-phase ex-foliation of graphene: an overview on exfoliation media, techniques, and challenges. Nanomaterials. 2018. V. 8. N 11. P. 942.
Yi M., Shen Z. A review on mechanical exfoliation for the scalable production of graphene. J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. N 22. P. 11700-11715.
Gu X., Zhao Y., Sund K., Vieira C.L.Z., Jia Z., Cui C., Wang Z., Walsh A., Huang S. Method of ultrasound-assisted liquid-phase exfoliation to prepare graphene. Ultrason. Sonochem. 2019. V. 58. 104630.
Cai X., Jiang Z., Zhang X., Zhang X. Effects of Tip Sonication Parameters on Liquid Phase Exfoliation of Graphite into Graphene Nanoplatelets. Nanoscale Res. Lett. 2018. V. 13. P. 241.
Lei Q., Ruibin G., Zunli M., Qijun W. Combination of ultrasonic assisted liquid phase exfoliation process and oxidation-deoxidation method to prepare large- sized graphene. Carbon Lett. 2018. V. 25. P. 50 – 54.
Green A.A., Hersam M.C. Emerging methods for producing monodisperse graphene dispersions. J. Phys. Chem. Lett. 2010. V. 1. N 2. P. 544-549.
Ciesielski A., Samori P. Graphene via Sonication Assisted Liquid-Phase Exfoliation. Chem. Soc. Rev. 2014. V. 43. P. 381 – 398.
Narayan R., Kim S. Surfactant mediated liquid phase exfoliation of graphene. Nano Convergence. 2015. V. 2. P. 20.
Guardia L., Fernández-Merino M.J., Paredes J.I., Sol-ís-Fernández P., Villar-Rodil S., Martínez-Alonso A., Tascón J.M.D. High-throughput production of pristine graphene in an aqueous dispersion assisted by non-ionic surfactants. Carbon. 2011. V. 49. N 5. P. 1653-1662.
Lin Z., Karthik P.S., Hada M., Nishikawa T., Hayashi Y. Simple Technique of Exfoliation and Dispersion of Multilayer Graphene from Natural Graphite by Ozone-Assisted Sonication. Nanomaterials. 2017. V. 7. P. 125.
Kulmetyeva V.B., Ponosova A.A. Preparation of graphene-containing suspensions by dispersion in aqueous solutions of surfactants. Sovremen. Probl. Nauki Obra-zovaniya. 2015. N 2. P. 1 – 8 (in Russian).
Turner P., Hodnett M., Doray R., Carey J. Controlled sonication as a route to in-situ graphene flake size con-trol. Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 8710.
Sebastien H., Matteo B., Jian X. Liquid-Phase Exfoliation of Graphite into Single- and Few-Layer Graphene with α-Functionalized Alkanes. Phys. Chem. Lett. 2016. V. 7. N 14. P. 2714–2721.
Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. Ultra-sound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanosc. Res. Lett. 2014. V. 9. P. 167.
Reznikov I.I., Fedorova V.N., Faustov E.V., Zubarev A.R., Demidova A.K. Physical foundations of the use of ultrasound in medicine. M.: RNIMU im. N.I. Pirogov. 2015. 95 p. (in Russian).
Akopyan V.B., Ershov Yu.A., Shchukin S.I. Ultrasound in medicine, veterinary medicine and biology. M.: Yurayt. 2021. 215 p. (in Russian).
Nikolaeva A.V., Samoilov V.M., Danilov E.A., Mayakova D.V., Trofimova N.N., Abramchuk S.S. The effectiveness of the use of surfactants and organic additives in the preparation of aqueous suspensions of graphene from natural graphite under the influence of ultrasound. Per-spektiv. Mater. 2015. N 2. P. 44 – 56 (in Russian).
Samoilov V.M., Danilov E.A., Nikolaeva A.V., Yer-puleva G.A., Trofimova N.N. Formation of graphene aqueous suspensions using fluorinated surfactant-assisted ultrasonication of pristine graphite. Carbon. 2015. V. 83. P. 38 – 46.
Samoilov V.M., Streletskii A.P. Influence Effect of ul-trafine pulverization on the crystal structure and graphitability of carbonaceous fillers. Khimiya Tverdogo Topliva. 2004. N 2. P. 53 - 59 (in Russian).
