Ultrasonic synthesis of graphene via graphite exfoliation is the most reliable and advantageous method to produce high-quality graphene sheets on industrial scale. Hielscher high-performance ultrasonic processors are precisely controllable and can generate very high amplitudes in 24/7 operation. This allows to prepare high volumes of pristine graphene in a facile and size-controllable way.

آماده سازی در حمام اولتراسونیک از گرافن

از آنجایی که ویژگی های فوق العاده گرافیت شناخته شده است، روش های متعددی برای تهیه آن توسعه یافته است. علاوه بر تولید شیمیایی گرافن از اکسید گرافین در فرآیندهای چند مرحلهای، که برای آنها نیاز به اکسید کننده و کاهش دهنده بسیار قوی است. علاوه بر این، گرافین تحت این شرایط شیمیایی خشن نیز اغلب شامل مقدار زیادی نقص حتی پس از کاهش در مقایسه با گرافن به دست آمده از روش های دیگر. با این حال، سونوگرافی یک جایگزین اثبات شده برای تولید گرافن با کیفیت بالا است، همچنین در مقادیر زیادی. محققان روش های کمی متفاوت را با استفاده از سونوگرافی توسعه داده اند، اما به طور کلی تولید گرافن یک فرآیند یک مرحله ای ساده است.

دنباله ای با سرعت بالا (از a تا f) از فریم هایی که لایه برداری سونو-مکانیکی یک پوسته گرافیت را در اب نشان می دهد با استفاده از UP200S، یک ultrasonicator 200W با sonotrode 3 میلی متر. فلش نشان می دهد محل تقسیم (لایه برداری) با حباب کاویتاسیون نفوذ تقسیم.
(مطالعه و تصاویر: © Tyurnina و همکاران. 2020

Advantages of Ultrasonic Graphene Exfoliation

Hielscher probe-type ultrasonicators and reactors turn graphene exfoliation into a highly efficient process used to produce graphene from graphite through the application of powerful ultrasound waves. This technique offers several advantages over other methods of graphene production. Major benefits of ultrasonic graphene exfoliation are the following:

• High efficiency: Graphene exfoliation via probe-type ultrasonication is a very efficient method of graphene production. It can produce large amounts of high-quality graphene in a short period of time.
• کم هزینه: The equipment required for ultrasonic exfoliation in industrial graphene production is relatively inexpensive compared to other methods of graphene production, such as chemical vapor deposition (CVD) and mechanical exfoliation.
• مقیاس پذیری: Exfoliating graphene via ultrasonicator can be easily scaled up for large-scale production of graphene. Ultrasonic exfoliation and dispersion of graphene can be run in batch as well as in continuous inline process. This makes it a viable option for industrial-scale applications.
• Control over graphene properties: Graphene exfoliation and delamination using probe-type ultrasonication allows for precise control over the properties of the graphene produced. This includes its size, thickness, and number of layers.
• Minimal environmental impact: Graphene exfoliation using an ultrasonic proven is a green method of graphene production, as it can be used with non-toxic, environmentally benign solvents such as water or ethanol. This means that ultrasonic graphene delamination allows to avoid or reduce the use of harsh chemicals or high temperatures. This makes it an environmentally friendly alternative to other graphene production methods.

Overall, graphene exfoliation using Hielscher probe-type ultrasonicators and reactors offers a cost-effective, scalable, and environmentally friendly method of graphene production with precise control over the properties of the resulting material.

Example for the Simple Production of Graphene using Sonication

Graphite is added in a mixture of dilute organic acid, alcohol, and water, and then the mixture is exposed to ultrasonic irradiation. The acid works as a “گوه مولکولی” که جدا ورق گرافن از گرافیت پدر و مادر. با این روند ساده، مقدار زیادی از سالم، گرافن با کیفیت بالا پراکنده در آب ایجاد می شود. (از گروه القاعده و همکاران 2010).
 

گرافن مستقیم لایه برداری

سونوگرافی اجازه می دهد تا برای تهیه graphenes در حلال های آلی، سورفاکتانت / راه حل های آب، و یا مایعات یونی. این به این معنی است که استفاده از اکسید کننده های قوی و یا عوامل کاهش می تواند اجتناب شود. Stankovich و همکاران (2007) گرافن با لایه برداری تحت امواج فراصوت تولید شده است.
The AFM images of graphene oxide exfoliated by the ultrasonic treatment at concentrations of 1 mg/mL in water always revealed the presence of sheets with uniform thickness (~1 nm; example is shown in the picture below). These well-exfoliated samples of graphene oxide contained no sheets either thicker or thinner than 1nm, leading to a conclusion that complete exfoliation of graphene oxide down to individual graphene oxide sheets was indeed achieved under these conditions. (Stankovich et al. 2007)

AFM image of exfoliated GO sheets with three height profiles acquired in different locations
(picture and study: ©Stankovich et al., 2007)

تهیه گرافن

Stengl et al. have shown the successful preparation of pure graphene sheets in large quantities during the production of nonstoichiometric TiO2 graphene nanocomposit by thermal hydrolysis of suspension with graphene nanosheets and titania peroxo complex. The pure graphene nanosheets were produced from natural graphite using a high intensity cavitation field generated by Hielscher ultrasonic processor UIP1000hd in a pressurized ultrasonic reactor at 5 bar. The graphene sheets obtained, with high specific surface area and unique electronic properties, can be used as a good support for TiO2 to enhance the photocatalytic activity. The research group claims that the quality of the ultrasonically prepared graphene is much higher than graphene obtained by Hummer’s method, where graphite is exfoliated and oxidized. As the physical conditions in the ultrasonic reactor can be precisely controlled and by the assumption that the concentration of graphene as a dopant will vary in the range of 1 – 0.001%, the production of graphene in a continuous system on commercial scale is easily installed. Industrial ultrasonicators and inline reactors for efficient exfoliation of high-quality graphene are readily available.

تهیه شده توسط درمان در حمام اولتراسونیک از اکسید گرافن

اوه و همکاران (2010) با استفاده از امواج فراصوت برای تولید اکسید گرافن (GO) لایه نشان داده اند یک مسیر آماده سازی است. بنابراین، آنها بیست و پنج میلی گرم پودر اکسید گرافن در 200 میلی لیتر آب دیونیزه حالت تعلیق درآمد. توسط تکان دهنده آنها تعلیق قهوه ای ناهمگن دست آمده است. تعلیق نتیجه فراصوت داده شد (30 دقیقه، 1.3 × 105J)، و پس از خشک شدن (در 373 K) اکسید گرافن التراسونیک درمان تولید شد. طیف سنجی FTIR نشان داد که درمان فراصوت را از گروه های کاربردی از اکسید گرافن را تغییر دهید.

SEM image of graphene pristine nanosheets obtained by ultrasonication (Oh et al., 2010)

عاملدار از گرافن

ژو و Suslick (2011) یک روش یک مرحله ای مناسب توصیف برای تهیه پلی استایرن عاملدار گرافیت. در مطالعه خود، آنها گرافیت و استایرن به عنوان مواد خام اولیه استفاده می شود. توسط sonicating تکه گرافیت در استایرن (مونومر واکنش)، تابش اولتراسوند منجر به لایه برداری مکانوشیمیایی گرافیت به تک لایه و ورق گرافن چند لایه. به طور همزمان، عاملدار از گرافن با زنجیر پلی استایرن به دست آمده است.
همین فرآیند عاملدار را می توان با دیگر منومر وینیل برای کامپوزیت های بر اساس گرافن انجام شده است.

گرافن ضسبرسنس

درجه پراکندگی گرافن و اکسید گرافن برای استفاده از پتانسیل کامل گرافن با ویژگی های خاص آن بسیار مهم است. اگر گرافن در شرایط کنترل شده پراکنده نشود، پلییدیزاسیون پراکندگی گرافین می تواند منجر به رفتار غیر قابل پیش بینی یا غیردیادی شود، زیرا این دستگاه در دستگاه قرار می گیرد، زیرا خواص گرافن به عنوان یک عامل از پارامترهای ساختاری آن متفاوت است. Sonication یک روش اثبات شده برای تضعیف نیروهای Interlayer است و امکان کنترل دقیق پارامترهای پردازش مهم را فراهم می کند.
"برای اکسید گرافن (GO)، که معمولا به عنوان ورق تک لایه و پوسته شدن، یکی از چالش های اصلی polydispersity از تغییرات در منطقه جانبی دانههای ناشی می شود. نشان داده شده است که میانگین اندازه جانبی GO را می توان از 400 نانومتر تا 20 میکرومتر با تغییر مواد گرافیت شروع و شرایط فراصوت منتقل شده است. "(سبز و همکاران 2010).
The ultrasonic dispersing of graphene resulting in fine and even colloidal slurries has been demonstrated in various other studies. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
ژانگ و همکاران (2010) نشان داده اند که از استفاده از امواج فراصوت پراکندگی گرافن پایدار با غلظت بالایی از 1 میلی گرم · ML-1 و گرافن نسبتا خالص به دست آورد، و گرافن به عنوان آماده نمایشگاه هدایت الکتریکی بالا از 712 S · متر^-1. نتایج حاصل از طیف مادون قرمز تبدیل فوریه تبدیل و رامان بررسی طیف نشان داد که روش آماده سازی مافوق صوت است آسیب کمتری به ساختار شیمیایی و کریستال از گرافن.

High Performance Ultrasonicators for Graphene Exfoliation

برای تولید با کیفیت بالا گرافن نانو ورق ، قابل اعتماد با کارایی بالا تجهیزات سونوگرافی مورد نیاز است. دامنه ، فشار و درجه حرارت پارامترهای ضروری ، که برای تکرارپذیری و کیفیت محصول سازگار بسیار مهم است. Hielscher Ultrasonics’ ultrasonic processors are powerful and precisely controllable systems, which allow for the exact setting of process parameters and continuous high-power ultrasound output. Hielscher Ultrasonics industrial ultrasonic processors can deliver very high amplitudes. Amplitudes of up to 200µm can be easily continuously run in 24/7 operation. For even higher amplitudes, customized ultrasonic sonotrodes are available. The robustness of Hielscher’s ultrasonic equipment allows for 24/7 operation at heavy duty and in demanding environments.
Our customers are satisfied by the outstanding robustness and reliability of Hielscher Ultrasonics systems. The installation in fields of heavy-duty application, demanding environments and 24/7 operation ensure efficient and economical processing. Ultrasonic process intensification reduces processing time and achieves better results, i.e. higher quality, higher yields, innovative products.
جدول زیر به شما می دهد که نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی ultrasonicators ما:

تهیه Nanoscrolls کربن

Carbon Nanoscrolls are similar to multi-walled carbon nanotubes. The difference to MWCNTs is the open tips and the full accessibility of the inner surfaces to other molecules. They can be synthesized wet-chemically by intercalating graphite with potassium, exfoliating in water and sonicating the colloidal suspension. (cf. Viculis et al. 2003) The ultrasonication assists the scrolling up of the graphene monolayers into carbon nanoscrolls (see graphic below). A high conversion efficiency of 80% has been achieved, that makes the production of nanoscrolls interesting for commercial applications.

Ultrasonic synthesis of Carbon Nanoscrolls (Viculis et al. 2003)

تهیه نانوروبان

گروه تحقیقاتی Hongjie Dai و همکارانش از دانشگاه استنفورد یک تکنیک برای تهیه نانوروبن را پیدا کردند. نوارهای گرافن نوارهای نازک گرافن هستند که ممکن است ویژگی های مفیدتری از ورق های گرافن داشته باشند. در عرضی حدود 10 نانومتر یا کوچکتر، رفتار روبان گرافن شبیه یک نیمه هادی است، به این دلیل که الکترونها مجبور به حرکت به جلو هستند. به این ترتیب، استفاده از نانوروبن ها با عملکرد نیمه هادی مانند الکترونیک (به عنوان مثال برای تراشه های کوچکتر و سریعتر کامپیوتر) می تواند جالب باشد.
دای و همکاران آماده سازی نانوروبان گرافنی پایگاه در دو مرحله است: مرحله اول، آنها لایه های گرافن از گرافیت توسط عملیات حرارتی 1000ºC برای یک دقیقه در 3٪ هیدروژن در گاز آرگون را سست کرد. سپس، گرافن تا به نوار با استفاده از امواج فراصوت شکسته شد. نانوروبان به دست آمده توسط این روش توسط بسیاری توصیف کرد »نرم و صاف’ لبه از آن ساخته شده با استفاده لیتوگرافی چاپ معمولی است. (جایو و همکاران، 2009)