گرافن تک لایه در مقیاس صنعتی با استفاده از لایه برداری اولتراسونیک

گرافن به یکی از هیجان انگیزترین مواد علم مدرن تبدیل شده است – و دلیل خوبی هم دارد. فقط این نیست “یک ماده کربنی دیگر.” گرافن یک لایه اتمی واحد از کربن است که در یک شبکه کندوی عسل کاملا مرتب چیده شده و این ساختار ظاهرا ساده ترکیبی شگفت انگیز از ویژگی ها را تولید می کند که تعداد کمی از مواد می توانند با آن رقابت کنند.
چالش همیشه این است: چگونه می توانیم گرافن تک لایه با کیفیت بالا را به صورت کارآمد، یکنواخت و در مقادیر صنعتی تولید کنیم؟
اینجاست که لایه برداری اولتراسونیک با عملکرد بالا – به ویژه با سونیکاتورهای نوع پروب هیلشر – پاسخی عملی و مقیاس پذیر ارائه می دهد.

مسئله: تولید گرافن تک لایه در مقیاس وسیع

گرافن به طور طبیعی درون گرافیت وجود دارد، جایی که میلیون ها لایه گرافن به طور فشرده روی هم قرار گرفته اند. این لایه ها توسط نیروهای قوی بین لایه ای (تعاملات ون در والس) نگه داشته می شوند که جدا کردن تمیز آن ها را دشوار می کند.

هدف واضح است:

• بازده بالای گرافن تک لایه
• آسیب حداقلی به شبکه گرافن
• اندازه و مورفولوژی یکنواخت ورق
• مقیاس پذیر برای حجم های صنعتی
• مقرون به صرفه و پایدار از نظر زیست محیطی

روش های سنتی در برآورده کردن همه این الزامات به طور همزمان مشکل دارند.

چرا روش های لایه برداری متداول کافی نیستند

روش های لایه برداری متداول شامل لایه برداری مکانیکی، شیمیایی و لایه برداری فاز مایع است. تمام این روش ها محدودیت هایی دارند که تولید گرافن را ناکارآمد و/یا خطرناک می کند.

لایه برداری مکانیکی

برجسته ترین تکنیک مکانیکی، تکنیک معروف است “نوار چسب اسکاتلندی” روش. می تواند گرافن بکر تولید کند، اما:

• بازده بسیار پایین است
• ورق ها نامنظم هستند
• کاملا غیرعملی برای تولید

لایه برداری شیمیایی

این روش از اسیدهای قوی و اکسیدکننده ها برای شکستن پیوندهای لایه ای استفاده می کند، اما:

• ناخالصی ها و نقص ها را وارد می کند
• تولید ضایعات شیمیایی
• افزایش هزینه به دلیل حلال ها، مواد شیمیایی و دفع
• شیمی گرافن را تغییر می دهد (اغلب به طور دائمی)

لایه برداری فاز مایع متداول

این رویکرد مقیاس پذیرتر است، اما اغلب نیازمند موارد زیر است:

• حلال های ویژه ای مانند N-متیل-2-پیرولیدون (NMP) یا دی متیل فرامید (DMF)
• زمان های پردازش طولانی
• بازدهی محدود و بازده فرآیند بدون ورودی انرژی بالا

تولید گرافین اولتراسونیک: مسیر صنعتی رو به جلو

سنتز گرافن اولتراسونیک زمانی بسیار مؤثر می شود که از سونیک پروب پرتوان استفاده شود که انرژی را مستقیما به تعلیق منتقل می کند – خیلی کارآمدتر از سونیکیشن حمام.

در عمل، اولتراسوند از تولید گرافن از طریق دو مسیر اصلی حمایت می کند:

روش ۱: همرهای کمکی فراصوت’ روش (اکسید گرافین)

هامرز’ روش یک مسیر شیمیایی است که در آن گرافیت با استفاده از مخلوطی از اسیدهای قوی و عوامل اکسیدکننده – معمولا اسید سولفوریک، اسید نیتریک و پرمنگنات پتاسیم – اکسید می شود. در طول این واکنش، گروه های عاملی حاوی اکسیژن مانند هیدروکسیل، اپوکسید و کربوکسیل وارد شبکه کربن می شوند. نتیجه، اکسید گرافن (GO) است که یک مشتق شیمیایی اصلاح شده از گرافن می باشد.

وقتی سونوگرافی در این فرآیند اعمال می شود، کارایی واکنش به طور قابل توجهی افزایش می یابد. تحریک فراصوت انتقال جرم بین واکنش دهنده ها و ذرات گرافیتی را بهبود می بخشد و اکسیداسیون یکنواخت تری را تضمین می کند. در عین حال، نیروهای برشی القا شده توسط کاویتاسیون باعث جداسازی لایه های اکسید شده گرافیت به ورقه های جداگانه می شوند که باعث تسریع لایه برداری و بهبود کیفیت پراکندگی می شود.

سونوگرافی در اینجا چه کاری انجام می دهد:

• انتقال جرم را بهبود می بخشد
• پراکندگی را تسریع می کند
• کمک می کند لایه های اکسید شده را به یک ورق جدا کند

محصول این روش، اکسید گرافین به صورت ورق های تک لایه یا چند لایه است که به دلیل شیمی سطح آب دوست خود به راحتی در آب پراکنده می شوند. به دلیل گروه های عاملی معرفی شده، اکسید گرافن بسیار واکنش پذیر است و برای عملکرددهی شیمیایی بعدی، انتگرال گیری کامپوزیت یا کاهش به ساختارهای گرافین اصلاح شده بسیار مناسب است.

روش هامر با کمک فراصوت چه چیزی تولید می کند:

• ورق های اکسید گرافن
• پراکندگی های آب دوست در آب
• یک فرم گرافین اصلاح شده شیمیایی مناسب برای عملکردی شدن

این رویکرد به ویژه زمانی مناسب است که هدف گرافین دست نخورده نباشد، بلکه ماده ای سطحی فعال و قابل تنظیم شیمیایی باشد که برای اصلاحات بیشتر یا کاربردهای خاص بین سطحی طراحی شده است.

نمایش گرافیکی سنتز گرافن تهیه شده از روش هامر و تکنیک پراکندگی با استفاده از سدیم دودسیل بنزن سولفونات (SDS): (A) ساختار گرافیتی؛ (B) نانوپلاتلت های پراکنده گرافین با استفاده از سونیکاتور UP100H; (ج) اکسید گرافین کاهش یافته؛ و (D) اکسید گرافین.
(مطالعه و گرافیک: غانم و رحیم، 1397)

روش ۲: لایه برداری اولتراسونیک با فاز مایع (گرافن نگهدار)

در لایه برداری فاز مایع اولتراسونی، گرافیت حجیم در حلال مناسب—معمولا N-متیل-۲-پیرولیدون (NMP) یا دی متیل فرم آمید (DMF)—پراکنده شده و تحت سونوگرافی پرقدرت قرار می گیرد. برخلاف روش های اکسیداتیو، این فرآیند اساسا فیزیکی است نه شیمیایی.

انرژی فراصوت اعمال شده نیروهای شدید کاویتاسیون را درون مایع ایجاد می کند. این نیروها بر تعاملات ون در والس که لایه های گرافن را کنار هم نگه می دارند، غلبه می کنند و گرافیت را به صورت فیزیکی به ورقه های گرافین جداگانه جدا می کنند. با پیشرفت لایه برداری، پراکندگی پایدار نانووریت های گرافن در محیط حلال شکل می گیرد.
سونوگرافی در اینجا چه کاری انجام می دهد:

• گرافیت را به صورت فیزیکی جدا می کند
• لایه های گرافین منفرد را جدا می کند
• پراکندگی های پایدار گرافن را تشکیل می دهد

این روش زمانی ترجیح داده می شود که هدف اصلی حفظ یکپارچگی شبکه کربن اصلی sp² باشد. از آنجا که هیچ عامل اکسیدکننده تهاجمی در کار نیست، ساختار بلوری و خواص الکتریکی و مکانیکی ذاتی گرافن را می توان به میزان بسیار بیشتری حفظ کرد. علاوه بر این، لایه برداری فاز مایع اولتراسونیک برای تولید مقیاس پذیر بسیار مناسب است و امکان گذار قابل اعتماد از تحقیقات آزمایشگاهی به تولید صنعتی را در حالی که یکنواختی محصول حفظ می شود، فراهم می سازد.
این رویکرد گزینه ترجیحی است وقتی هدف شما این باشد:

• حفظ شبکه اصلی sp²
• تولید نانوشیت های گرافن با کیفیت بالا
• افزایش قابل اعتماد تولید

خلاصه اینکه، در حالی که هامرز’ روش اصلاح شیمیایی را در اولویت قرار می دهد، لایه برداری اولتراسونیک با فاز مایع بر حفظ ساختاری و تولید نانوورق گرافن با کیفیت بالا تمرکز دارد.

دنباله ای با سرعت بالا (از A تا F) از قاب های نشان دهنده لایه برداری SONO-مکانیکی از پوسته گرافیت در آب با استفاده از UP200S، یک مافوق صوت 200W با سونوترود 3 میلی متر. فلش ها محل شکاف (لایه برداری) را با حباب های کاویتاسیون که به شکاف نفوذ می کنند نشان می دهند.
(مطالعه و تصاویر: © Tyurnina و همکاران 2020

انتخاب مسیر درست: حفظ یا تغییر؟

یک سؤال ساده بهترین روش را تعیین می کند:
آیا گرافن بی نقص می خواهید؟ – یا اکسید گرافن عملکردی؟

لایه برداری فاز مایع بر حفظ شبکه و غلبه ملایم بر نیروهای بین لایه ای تمرکز دارد.
هامرها’ روش به طور عمدی شیمی را تغییر می دهد و گروه ها و نقص های اکسیژن را وارد می کند و اولتراسوند عمدتا پراکندگی را بهبود می بخشد تا محافظت از ساختار.

این تفاوت تأثیر زیادی بر عملکرد و پتانسیل کاربرد گرافن نهایی دارد.

چرا لایه برداری اولتراسونیک برای گرافن صنعتی عالی است

در مقایسه با روش های لایه برداری متداول، لایه برداری فاز مایع اولتراسونیک ترکیبی نادر از کارایی، کیفیت محصول و مقیاس پذیری صنعتی را ارائه می دهد.
یکی از مهم ترین مزایای آن، بازده بالای لایه برداری است. در شرایط پردازش بهینه، کاویتاسیون فراصوت می تواند ورق های گرافن را با بازدهی بسیار بالا از گرافیت جدا کند و اغلب به ماده ای عمدتا تک لایه دست یابد. این پیشرفت قابل توجهی نسبت به لایه برداری مکانیکی است که تنها مقادیر کمی گرافن قابل استفاده تولید می کند.
یکنواختی عامل تعیین کننده دیگری است. از آنجا که فرآیند کاویتاسیون را می توان به دقت کنترل کرد، ورقه های گرافن حاصل معمولا ضخامت و مورفولوژی یکنواختی دارند. این قابلیت تکرارپذیری برای کاربردهای صنعتی که یکنواختی مواد مستقیما بر عملکرد محصول تأثیر می گذارد، ضروری است.
مقیاس پذیری پردازش اولتراسونیک را بیشتر متمایز می کند. آنچه در بشر آزمایشگاهی کار می کند، می تواند به مقیاس آزمایشی و در نهایت به تولید صنعتی خطی منتقل شود. راکتورهای جریان اولتراسونیک پیوسته اجازه می دهند حجم زیادی از پراکندگی گرافیتی تحت شرایط کنترل شده و تکرارپذیر پردازش شود و این فناوری را از نظر تجاری مقرون به صرفه می سازد.
کنترل فرآیند لایه ای دیگر از انعطاف پذیری را اضافه می کند. پارامترهایی مانند دامنه، توان فراصوت، فشار، دما و زمان اقامت را می توان به دقت تنظیم کرد. این امکان را به تولیدکنندگان می دهد تا ویژگی های گرافن را متناسب با نیازهای خاص کاربرد تنظیم کنند و در عین حال قابلیت تکرارپذیری را حفظ نمایند.
در نهایت، لایه برداری فاز مایع اولتراسونیک می تواند با استفاده از سیستم های حلال پایدارتر اجرا شود. بسته به فرمولاسیون و کاربرد هدف، سیستم های مبتنی بر اتانول، مایعات یونی یا حتی محیط های آبی می توانند به کار گرفته شوند که مزایای زیست محیطی و نظارتی نسبت به مسیرهای شیمیایی به شدت اکسیداتیو ارائه می دهند.

چرا سونیکاتورهای پروب هیلشر برای لایه برداری گرافن ایده آل هستند

Hielscher Ultrasonics یک پلتفرم فناوری کامل و مناسب برای پردازش گرافن فراهم می کند.
مزایای کلیدی شامل موارد زیر است:

• سونوگرافی نوع پروب (بسیار کارآمدتر از سونیکاسیون حمام)
• مقیاس پذیر از سیستم های دستی و رومیزی به راکتورهای صنعتی ۲۴ ساعته
• کنترل دقیق بر دامنه، توان و فشار
• ساخت مقاوم و صنعتی برای عملکرد مستمر

پردازش دسته ای در مقابل پردازش خطی: از آزمایشگاه تا کارخانه

سیستم های هیلشر هم پردازش دسته ای و هم پردازش خطی را پشتیبانی می کنند و انتقال بی وقفه از پژوهش به تولید را ممکن می سازند.
سونیکیشن بچ پیاده سازی ساده ای است و به ویژه برای تحقیقات آزمایشگاهی، توسعه فرمولاسیون و تولید گرافن در مقیاس کوچک مناسب است. این نرم افزار انعطاف پذیری و بهینه سازی سریع پارامترها را فراهم می کند که آن را در مراحل اولیه توسعه فرآیند ایده آل می سازد.
با این حال، برای تولید در مقیاس صنعتی، معمولا فرآوری خطی ترجیح داده می شود. در این پیکربندی، پراکندگی گرافیت به طور پیوسته از طریق یک راکتور سلول جریان اولتراسونیک پمپ می شود. این امر قرار گرفتن یکنواخت در معرض نیروهای کاویتاسیون را تضمین می کند که منجر به کیفیت لایه برداری یکنواخت و توان بالا می شود. وقتی با راکتورهای تحت فشار ترکیب شود، شدت کاویتاسیون می تواند بیشتر افزایش یابد و کارایی و بهره وری لایه برداری را افزایش دهد.
طراحی ماژولار سیستم های هیلشر به شرکت ها امکان می دهد تا با آزمایش های مقیاس آزمایشگاهی شروع کنند و بدون تغییر پلتفرم فناوری زیرپایه، به تولید صنعتی کاملا پیوسته و ۲۴ ساعته و ۷ روز هفته گسترش یابند.

جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد:

فراتر از گرافین: سونوگرافی برای مواد دوبعدی (“زنس”)

لایه برداری اولتراسونیک محدود به گرافن نیست.
همچنین به طور گسترده برای تولید زن، که معادل های دوبعدی تک لایه گرافن هستند، استفاده می شود، از جمله:

• بوروفن (و بوروفن نانوروبان ها / بوروفن اکسید)
• MXenes (کاربیدهای فلزی انتقالی دوبعدی، نیتریدها، کربونیتریدها)
• بیسموتن (که به خاطر الکتروکاتالیز و سازگاری زیستی شناخته شده است)
• سیلیسن (سیلیکون دوبعدی شبیه گرافین)

همین مکانیزم کاویتاسیون باعث می شود اولتراسوند یکی از مقیاس پذیرترین مسیرها برای بسیاری از مواد دوبعدی لایه ای باشد.