Υπερήχων σύνθεση γραφενίου μέσω απολέπισης γραφίτη είναι η πιο αξιόπιστη και συμφέρουσα μέθοδος για την παραγωγή υψηλής ποιότητας φύλλα γραφενίου σε βιομηχανική κλίμακα. Hielscher υψηλής απόδοσης υπερήχων επεξεργαστές είναι ακριβώς ελεγχόμενη και μπορεί να δημιουργήσει πολύ υψηλά πλάτη σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Αυτό επιτρέπει την παρασκευή μεγάλων όγκων παρθένου γραφενίου με εύκολο και ελεγχόμενο μέγεθος.

Υπερήχων Παρασκευή γραφένιο

Δεδομένου ότι τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά του γραφίτη είναι γνωστά, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για την παρασκευή του. Εκτός από τη χημική παραγωγή γκραφενών από οξείδιο του γραφένιου σε διεργασίες πολλαπλών σταδίων, για τις οποίες χρειάζονται πολύ ισχυρά οξειδωτικά και αναγωγικά μέσα. Επιπροσθέτως, το γραφέν που παρασκευάζεται υπό αυτές τις σκληρές χημικές συνθήκες συχνά περιέχει μεγάλη ποσότητα ελαττωμάτων ακόμη και μετά την αναγωγή σε σύγκριση με τους γκραφένους που λαμβάνονται από άλλες μεθόδους. Ωστόσο, ο υπέρηχος είναι μια αποδεδειγμένη εναλλακτική λύση για την παραγωγή υψηλής ποιότητας γραφένιο, επίσης σε μεγάλες ποσότητες. Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει ελαφρώς διαφορετικούς τρόπους χρησιμοποιώντας υπερηχογράφημα, αλλά γενικά η παραγωγή γραφένιου είναι μια απλή διαδικασία ενός βήματος.

Μια ακολουθία υψηλής ταχύτητας (από το a έως το f) πλαισίων που απεικονίζουν τη sono-μηχανική απολέπιση μιας νιφάδας γραφίτη στο νερό χρησιμοποιώντας το UP200S, ένα 200W ultrasonicator με 3-mm sonotrode. Τα βέλη δείχνουν τον τόπο διάσπασης (απολέπιση) με φυσαλίδες σπηλαίωσης που διεισδύουν στη διάσπαση.
(μελέτη και φωτογραφίες: © Tyurnina et al. 2020

Πλεονεκτήματα της απολέπισης με υπερήχους γραφενίου

Hielscher ανιχνευτή τύπου υπερήχων και αντιδραστήρες μετατρέπουν την απολέπιση γραφενίου σε μια εξαιρετικά αποτελεσματική διαδικασία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή γραφενίου από γραφίτη μέσω της εφαρμογής ισχυρών κυμάτων υπερήχων. Αυτή η τεχνική προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα έναντι άλλων μεθόδων παραγωγής γραφενίου. Σημαντικά οφέλη της απολέπισης με υπερήχους γραφενίου είναι τα ακόλουθα:

• Υψηλή απόδοση: Η απολέπιση γραφενίου μέσω υπερήχων τύπου καθετήρα είναι μια πολύ αποτελεσματική μέθοδος παραγωγής γραφενίου. Μπορεί να παράγει μεγάλες ποσότητες γραφενίου υψηλής ποιότητας σε σύντομο χρονικό διάστημα.
• Χαμηλό κόστος: Ο εξοπλισμός που απαιτείται για την υπερηχητική απολέπιση στη βιομηχανική παραγωγή γραφενίου είναι σχετικά φθηνός σε σύγκριση με άλλες μεθόδους παραγωγής γραφενίου, όπως η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) και η μηχανική απολέπιση.
• Επεκτασιμότητα: Η απολέπιση γραφενίου μέσω υπερήχων μπορεί εύκολα να κλιμακωθεί για μεγάλης κλίμακας παραγωγή γραφενίου. Υπερήχων απολέπιση και διασπορά του γραφενίου μπορεί να τρέξει σε παρτίδα, καθώς και σε συνεχή ενσωματωμένη διαδικασία. Αυτό το καθιστά μια βιώσιμη επιλογή για εφαρμογές βιομηχανικής κλίμακας.
• Έλεγχος των ιδιοτήτων του γραφενίου: Η απολέπιση και η αποκόλληση γραφενίου χρησιμοποιώντας υπερήχους τύπου καθετήρα επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο των ιδιοτήτων του παραγόμενου γραφενίου. Αυτό περιλαμβάνει το μέγεθος, το πάχος και τον αριθμό των στρωμάτων.
• Ελάχιστες περιβαλλοντικές επιπτώσεις: Η απολέπιση γραφενίου χρησιμοποιώντας έναν υπερήχων αποδεδειγμένα είναι μια πράσινη μέθοδος παραγωγής γραφενίου, καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί με μη τοξικούς, φιλικούς προς το περιβάλλον διαλύτες όπως νερό ή αιθανόλη. Αυτό σημαίνει ότι η υπερηχητική αποκόλληση γραφενίου επιτρέπει την αποφυγή ή τη μείωση της χρήσης σκληρών χημικών ουσιών ή υψηλών θερμοκρασιών. Αυτό το καθιστά μια φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση σε άλλες μεθόδους παραγωγής γραφενίου.

Συνολικά, η απολέπιση γραφενίου χρησιμοποιώντας υπερήχους και αντιδραστήρες τύπου Hielscher προσφέρει μια οικονομικά αποδοτική, κλιμακούμενη και φιλική προς το περιβάλλον μέθοδο παραγωγής γραφενίου με ακριβή έλεγχο των ιδιοτήτων του προκύπτοντος υλικού.

Παράδειγμα για την απλή παραγωγή γραφενίου χρησιμοποιώντας υπερήχους

Ο γραφίτης προστίθεται σε ένα μείγμα αραιού οργανικού οξέος, αλκοόλης και νερού και στη συνέχεια το μείγμα εκτίθεται σε υπερηχητική ακτινοβολία. Το οξύ λειτουργεί ως “μοριακό σφήνα” η οποία διαχωρίζει τα φύλλα του γραφενίου από το μητρικό γραφίτη. Με αυτή την απλή διαδικασία, μια μεγάλη ποσότητα ακέραια, υψηλής ποιότητας γραφενίου διασπείρεται σε νερό δημιουργείται. (Αη et αϊ. 2010)
 

Το γραφένιο Άμεση απολέπιση

Υπέρηχος επιτρέπει την παρασκευή των graphenes σε οργανικούς διαλύτες, επιφανειοδραστικά / υδατικά διαλύματα, ή ιοντικά υγρά. Αυτό σημαίνει ότι η χρήση ισχυρών οξειδωτικών ή αναγωγικών παραγόντων μπορεί να αποφευχθεί. Στάνκοβιτς et αϊ. (2007) που παράγεται γραφενίου με απολέπιση στο πλαίσιο υπερήχους.
Οι εικόνες AFM του οξειδίου του γραφενίου που απολεπίστηκαν με υπερήχων σε συγκεντρώσεις 1 mg / mL σε νερό αποκάλυψαν πάντα την παρουσία φύλλων ομοιόμορφου πάχους (~ 1 nm, παράδειγμα φαίνεται στην παρακάτω εικόνα). Αυτά τα καλά απολεπισμένα δείγματα οξειδίου του γραφενίου δεν περιείχαν φύλλα ούτε παχύτερα ούτε λεπτότερα από 1nm, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι η πλήρης απολέπιση του οξειδίου του γραφενίου μέχρι μεμονωμένα φύλλα οξειδίου του γραφενίου επιτεύχθηκε πράγματι υπό αυτές τις συνθήκες. (Stankovich et al. 2007)

Εικόνα AFM απολεπισμένων φύλλων GO με τρία προφίλ ύψους που αποκτήθηκαν σε διαφορετικές τοποθεσίες
(εικόνα και μελέτη: ©Stankovich et al., 2007)

Παρασκευή φύλλα γραφενίου

Οι Stengl et al. έχουν δείξει την επιτυχή παρασκευή καθαρών φύλλων γραφενίου σε μεγάλες ποσότητες κατά την παραγωγή μη στοιχειομετρικών νανοσυνθέσεων TiO2 γραφενίου με θερμική υδρόλυση εναιωρήματος με νανοφύλλα γραφενίου και σύμπλοκο τιτανίας peroxo. Τα καθαρά νανοφύλλα γραφενίου παρήχθησαν από φυσικό γραφίτη χρησιμοποιώντας ένα πεδίο σπηλαίωσης υψηλής έντασης που παράγεται από τον υπερηχητικό επεξεργαστή Hielscher UIP1000hd σε έναν αντιδραστήρα υπερήχων υπό πίεση στα 5 bar. Τα φύλλα γραφενίου που λαμβάνονται, με υψηλή ειδική επιφάνεια και μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καλή υποστήριξη για το TiO2 για την ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δραστηριότητας. Η ερευνητική ομάδα ισχυρίζεται ότι η ποιότητα του υπερηχητικά παρασκευασμένου γραφενίου είναι πολύ υψηλότερη από το γραφένιο που λαμβάνεται με τη μέθοδο του Hummer, όπου ο γραφίτης απολεπίζεται και οξειδώνεται. Δεδομένου ότι οι φυσικές συνθήκες στον υπερηχητικό αντιδραστήρα μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια και με την υπόθεση ότι η συγκέντρωση γραφενίου ως dopant θα κυμαίνεται στην περιοχή του 1 – 0.001%, η παραγωγή γραφενίου σε ένα συνεχές σύστημα σε εμπορική κλίμακα εγκαθίσταται εύκολα. Βιομηχανικοί υπερήχων και ενσωματωμένοι αντιδραστήρες για αποτελεσματική απολέπιση γραφενίου υψηλής ποιότητας είναι άμεσα διαθέσιμοι.

Παρασκευή από κατεργασία με υπερήχους των γραφένιο Oxide

Oh et αϊ. (2010) έχουν δείξει μια διαδρομή παρασκεύασμα χρησιμοποιώντας ακτινοβολία υπερήχων για να παράγει οξείδιο του γραφενίου (GO) στρώματα. Ως εκ τούτου, αυτοί εναιωρούνται είκοσι πέντε χιλιοστόγραμμα κόνεως οξειδίου γραφενίου σε 200 ml απιονισμένου νερού. Με ανάδευση απέκτησαν ένα ανομοιογενές καφέ εναιώρημα. Τα προκύπτοντα εναιωρήματα υποβλήθηκαν σε κατεργασία υπερήχων (30 λεπτά, 1.3 × 105J), και μετά από ξήρανση (στους 373 Κ) η κατεργάστηκε με υπερήχους οξείδιο graphene παρήχθη. Μια φασματοσκοπία FTIR έδειξαν ότι η υπερηχητική θεραπεία δεν μετέβαλε τις λειτουργικές ομάδες του οξειδίου γραφενίου.

SEM εικόνα του γραφενίου παρθένα νανοφύλλα που λαμβάνονται με υπερήχους (Oh et al., 2010)

Χαρακτηριστικών ομάδων φύλλα γραφενίου

Xu και Suslick (2011) περιγράφουν μία βολική μέθοδο ενός σταδίου για την παρασκευή του πολυστυρολίου λειτουργοποιημένου γραφίτη. Στη μελέτη τους, χρησιμοποίησαν νιφάδες γραφίτη και στυρόλιο ως βασική πρώτη ύλη. Με κατεργασία με υπερήχους των νιφάδων γραφίτη σε στυρόλιο (ένα δραστικό μονομερές), η ακτινοβολία υπερήχων είχε σαν αποτέλεσμα την mechanochemical απολέπιση των νιφάδων γραφίτη σε μονού στρώματος και φύλλων γραφενίου λίγα-στρώμα. Ταυτόχρονα, η δραστικοποίηση των φύλλων γραφενίου με τις αλυσίδες πολυστυρενίου έχει επιτευχθεί.
Η ίδια διαδικασία της λειτουργικοποίησης μπορεί να διεξαχθεί με άλλα μονομερή βινυλίου για σύνθετα με βάση graphene.

Το γραφένιο διασπορές

Ο βαθμός διασποράς του γραφένιου και του οξειδίου του γραφένιου είναι εξαιρετικά σημαντικός για τη χρήση του πλήρους δυναμικού του γραφένιου με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του. Αν το γκρφένιο δεν διασκορπιστεί υπό ελεγχόμενες συνθήκες, η πολυδιασπορά διασποράς του γραφένιου μπορεί να οδηγήσει σε απρόβλεπτη ή μη φυσική συμπεριφορά όταν ενσωματωθεί σε συσκευές, καθώς οι ιδιότητες του γραφένιου ποικίλλουν ως συνάρτηση των δομικών παραμέτρων του. Το Sonication είναι μια αποδεδειγμένη θεραπεία που αποδυναμώνει τις δυνάμεις των ενδιαμέσων και επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο των σημαντικών παραμέτρων επεξεργασίας.
«Για το οξείδιο του γραφενίου (GO), η οποία τυπικά απολέπιση ως φύλλα μονού στρώματος, μία από τις κύριες προκλήσεις πολυδιασπορά προκύπτει από διακυμάνσεις στην πλευρική περιοχή των νιφάδων. Έχει δειχθεί ότι η μέση πλευρική μέγεθος της GO μπορεί να μετατοπιστεί από 400 nm έως 20 μm, αλλάζοντας το υλικό έναρξης γραφίτη και των συνθηκών κατεργασίας με υπερήχους.»(Green et al. 2010)
Η υπερηχητική διασπορά του γραφενίου με αποτέλεσμα λεπτές και ακόμη και κολλοειδείς πολτούς έχει αποδειχθεί σε διάφορες άλλες μελέτες. (Liu και συν. 2011/ Baby και συν. 2011/ Choi και συν. 2010)
Zhang et al. (2010) έχουν δείξει ότι με τη χρήση των υπερήχους μια σταθερή γραφενίου διασπορά με μια υψηλή συγκέντρωση 1 mg · mL-1 και σχετικά καθαρό φύλλα γραφενίου επιτυγχάνονται, και οι ως προετοιμασμένη φύλλα γραφενίου εμφανίζουν υψηλό ηλεκτρική αγωγιμότητα των 712 S · m^-1. Τα αποτελέσματα των μετασχηματισμένων Fourier φάσματα υπερύθρου και εξέταση φάσματα Raman έδειξε ότι η μέθοδος παρασκευής υπερήχων έχει λιγότερη ζημιά στις χημικές και κρυσταλλικές δομές του γραφενίου.

Υπερήχων υψηλής απόδοσης για απολέπιση γραφενίου

Για την παραγωγή των υψηλής ποιότητας νανο-φύλλων γραφένιου, ο αξιόπιστος υψηλής απόδοσης υπερηχητικός εξοπλισμός απαιτείται. Πλάτος, πίεση και θερμοκρασία βασικές παράμετροι, οι οποίες είναι κρίσιμες για την αναπαραγωγιμότητα και την συνεπή ποιότητα των προϊόντων. Υπερήχων Hielscher’ Οι επεξεργαστές υπερήχων είναι ισχυρά και με ακρίβεια ελεγχόμενα συστήματα, τα οποία επιτρέπουν την ακριβή ρύθμιση των παραμέτρων της διαδικασίας και τη συνεχή έξοδο υπερήχων υψηλής ισχύος. Hielscher Υπέρηχοι βιομηχανική υπερήχων επεξεργαστές μπορεί να παραδώσει πολύ υψηλά πλάτη. Πλάτη έως 200μm μπορούν εύκολα να λειτουργούν συνεχώς σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes. Η ευρωστία του υπερηχητικού εξοπλισμού Hielscher επιτρέπει 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία σε βαρέα καθήκοντα και σε απαιτητικά περιβάλλοντα.
Οι πελάτες μας είναι ικανοποιημένοι από την εξαιρετική ευρωστία και αξιοπιστία των συστημάτων Hielscher Ultrasonics. Η εγκατάσταση σε τομείς βαρέως τύπου, απαιτητικών περιβαλλόντων και 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργίας εξασφαλίζουν αποτελεσματική και οικονομική επεξεργασία. Υπερήχων εντατικοποίηση της διαδικασίας μειώνει το χρόνο επεξεργασίας και επιτυγχάνει καλύτερα αποτελέσματα, δηλαδή υψηλότερη ποιότητα, υψηλότερες αποδόσεις, καινοτόμα προϊόντα.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη για την κατά προσέγγιση ικανότητα επεξεργασίας των υπερήχων μας:

Παρασκευή of Carbon Nanoscrolls

Οι νανοκύλινδροι άνθρακα είναι παρόμοιοι με τους νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων. Η διαφορά με τα MWCNTs είναι οι ανοιχτές άκρες και η πλήρης προσβασιμότητα των εσωτερικών επιφανειών σε άλλα μόρια. Μπορούν να συντεθούν υγρά-χημικά με παρεμβολή γραφίτη με κάλιο, απολέπιση σε νερό και υπερήχηση του κολλοειδούς εναιωρήματος. (βλ. Viculis et al. 2003) Η υπερήχους βοηθά την κύλιση προς τα πάνω των μονοστιβάδων γραφενίου σε νανοκυλίνδρους άνθρακα (βλ. Γράφημα παρακάτω). Έχει επιτευχθεί υψηλή απόδοση μετατροπής 80%, γεγονός που καθιστά την παραγωγή νανοκυλίνδρων ενδιαφέρουσα για εμπορικές εφαρμογές.

Υπερήχων σύνθεση των νανοκυλίνδρων άνθρακα (Viculis et al. 2003)

Παρασκευή του nanoribbons

Η ερευνητική ομάδα του Hongjie Dai και των συναδέλφων του από το Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ βρήκαν μια τεχνική για την προετοιμασία των nanoribbons. Οι κορδέλες Graphene είναι λεπτές ταινίες γραφένης που μπορεί να έχουν ακόμα πιο χρήσιμα χαρακτηριστικά από τα φύλλα γραφένιου. Σε πλάτη περίπου 10 nm ή μικρότερη, η συμπεριφορά των κορδονιών γραφένης είναι παρόμοια με ένα ημιαγωγό καθώς τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται να κινούνται κατά μήκος. Ως εκ τούτου, θα ήταν ενδιαφέρον να χρησιμοποιηθούν nanoribbons με λειτουργίες ημιαγωγών σε ηλεκτρονικά (π.χ. για μικρότερα, ταχύτερα κομμάτια υπολογιστών).
Dai et αϊ. παρασκευή nanoribbons γραφενίου βάσεων στις δύο βήματα: πρώτον, χαλάρωσε τα στρώματα του γραφενίου από γραφίτη με μία θερμική επεξεργασία του 1000ºC για ένα λεπτό σε 3% του υδρογόνου σε αέριο αργό. Στη συνέχεια, η graphene χωρίστηκε σε λωρίδες χρησιμοποιώντας υπερήχους. Οι nanoribbons λαμβάνονται με την τεχνική αυτή χαρακτηρίζεται από πολύ «ομαλότερη’ ακμές από εκείνες που γίνονται με συμβατικά λιθογραφικά μέσα. (Jiao et al. 2009)