Grafeenin ultraäänisynteesi grafiitin kuorinnan kautta on luotettavin ja edullisin menetelmä korkealaatuisten grafeenilevyjen tuottamiseksi teollisessa mittakaavassa. Hielscherin korkean suorituskyvyn ultraääniprosessorit ovat tarkasti hallittavissa ja voivat tuottaa erittäin suuria amplitudit 24/7 toiminnassa. Tämä mahdollistaa suurten määrien turmeltumattoman grafeenin valmistamisen helposti ja kooltaan säädettävällä tavalla.

Graphenin ultraäänimittaus

Koska grafiitin poikkeukselliset ominaisuudet ovat tunnettuja, sen valmistukseen on kehitetty useita menetelmiä. Grafiinien kemiallisen tuotannon lisäksi gra- dienioksidista monivaiheisissa prosesseissa, joille tarvitaan erittäin voimakkaita hapettavia ja pelkistäviä aineita. Lisäksi näissä kovissa kemiallisissa olosuhteissa valmistettu grafeni sisältää usein suuria määriä vikoja jopa pelkistyksen jälkeen verrattuna muihin menetelmiin saaduista grafeeneistä. Kuitenkin ultraääni on todistettu vaihtoehto tuottaa korkealaatuista grafenaa, myös suuria määriä. Tutkijat ovat kehittäneet hieman erilaisia ​​tapoja ultraäänellä, mutta yleensä grafeenituotanto on yksinkertainen yksivaiheinen prosessi.

Nopea kehyssarja (a:sta f:ään), joka kuvaa grafiittihiutaleen sonomekaanista kuorintaa vedessä käyttämällä UP200S: ää, 200 W: n ultraäänilaitetta, jossa on 3 mm: n sonotrode. Nuolet osoittavat halkaisupaikan (kuorinnan) kavitaatiokuplien tunkeutuessa halkeamaan.
(tutkimus ja kuvat: © Tyurnina et al. 2020

Ultraäänigrafeenin kuorinnan edut

Hielscher-koetintyyppiset ultraäänilaitteet ja reaktorit muuttavat grafeenin kuorinnan erittäin tehokkaaksi prosessiksi, jota käytetään grafeenin tuottamiseen grafiitista voimakkaiden ultraääniaaltojen avulla. Tämä tekniikka tarjoaa useita etuja verrattuna muihin grafeenin valmistusmenetelmiin. Ultraäänigrafeenin kuorinnan tärkeimmät edut ovat seuraavat:

• Korkea hyötysuhde: Grafeenin kuorinta koetintyyppisellä ultraäänellä on erittäin tehokas menetelmä grafeenin tuotantoon. Se voi tuottaa suuria määriä korkealaatuista grafeenia lyhyessä ajassa.
• Edullisia: Teollisen grafeenin tuotannossa ultraäänikuorintaan tarvittavat laitteet ovat suhteellisen edullisia verrattuna muihin grafeenin valmistusmenetelmiin, kuten kemialliseen höyrykerrostukseen (CVD) ja mekaaniseen kuorintaan.
• Skaalautuvuus: Kuoriva grafeeni ultrasonicatorin kautta voidaan helposti skaalata grafeenin laajamittaiseen tuotantoon. Grafeenin ultraäänikuorinta ja dispersio voidaan suorittaa sekä erässä että jatkuvassa inline-prosessissa. Tämä tekee siitä toteuttamiskelpoisen vaihtoehdon teollisen mittakaavan sovelluksiin.
• Grafeenin ominaisuuksien hallinta: Grafeenin kuorinta ja delaminointi koetintyyppisellä ultraäänellä mahdollistaa tuotetun grafeenin ominaisuuksien tarkan hallinnan. Tämä sisältää sen koon, paksuuden ja kerrosten lukumäärän.
• Minimaalinen ympäristövaikutus: Grafeenin kuorinta ultraäänellä todistettu on vihreä menetelmä grafeenin tuotannossa, koska sitä voidaan käyttää myrkyttömien, ympäristöystävällisten liuottimien, kuten veden tai etanolin, kanssa. Tämä tarkoittaa, että ultraäänigrafeenin delaminaatio mahdollistaa kovien kemikaalien tai korkeiden lämpötilojen käytön välttämisen tai vähentämisen. Tämä tekee siitä ympäristöystävällisen vaihtoehdon muille grafeenin tuotantomenetelmille.

Kaiken kaikkiaan grafeenin kuorinta Hielscher-koetintyyppisillä ultraäänilaitteilla ja reaktoreilla tarjoaa kustannustehokkaan, skaalautuvan ja ympäristöystävällisen grafeenin tuotantomenetelmän, jossa tuloksena olevan materiaalin ominaisuuksia hallitaan tarkasti.

Esimerkki grafeenin yksinkertaisesta tuotannosta sonikaatiolla

Grafiitti lisätään laimennetun orgaanisen hapon, alkoholin ja veden seokseen, ja sitten seos altistetaan ultraäänisäteilytykselle. Happo toimii “molekyyli kiila” joka erottaa grafeenilevyt emolevystä. Tällä yksinkertaisella prosessilla luodaan suuri määrä vahingoittumatonta, korkealaatuista grafeenia veteen dispergoituna. (An et ai., 2010)
 

Graphene Direct -kuorinta

Ultrasound mahdollistaa grafeenien valmistuksen orgaanisissa liuottimissa, pinta-aktiivisissa aineissa / vesiliuoksissa tai ionisissa nesteissä. Tämä tarkoittaa sitä, että voimakkaiden hapettavien tai pelkistävien aineiden käyttöä voidaan välttää. Stankovich et ai. (2007) tuotti grafeenin kuorinnalla ultraääni.
AFM-kuvat grafeenioksidista, joka on kuorittu ultraäänikäsittelyllä pitoisuuksina 1 mg / ml vedessä, paljastivat aina tasapaksuisten levyjen läsnäolon (~ 1 nm; esimerkki on esitetty alla olevassa kuvassa). Nämä hyvin kuoritut grafeenioksidinäytteet eivät sisältäneet levyjä, jotka eivät olleet paksumpia tai ohuempia kuin 1 nm, mikä johti johtopäätökseen, että grafeenioksidin täydellinen kuorinta yksittäisiin grafeenioksidilevyihin asti saavutettiin todellakin näissä olosuhteissa. (Stankovich ym. 2007)

AFM-kuva kuorituista GO-levyistä, joissa on kolme korkeusprofiilia, jotka on hankittu eri paikoista
(kuva ja tutkimus: ©Stankovich et al., 2007)

Graphene-levyjen valmistus

ovat osoittaneet puhtaiden grafeenilevyjen onnistuneen valmistuksen suurina määrinä ei-stoikiometrisen TiO2-grafeenin nanokomposiitin valmistuksen aikana suspension lämpöhydrolyysillä grafeenin nanosheeteillä ja titania peroxo -kompleksilla. Puhtaat grafeenin nanosheetit valmistettiin luonnollisesta grafiitista käyttämällä Hielscherin ultraääniprosessorin UIP1000hd tuottamaa korkean intensiteetin kavitaatiokenttää paineistetussa ultraäänireaktorissa 5 barissa. Saatuja grafeenilevyjä, joilla on suuri ominaispinta-ala ja ainutlaatuiset elektroniset ominaisuudet, voidaan käyttää hyvänä tukena TiO2: lle fotokatalyyttisen aktiivisuuden parantamiseksi. Tutkimusryhmä väittää, että ultraäänellä valmistetun grafeenin laatu on paljon korkeampi kuin Hummerin menetelmällä saatu grafeeni, jossa grafiitti kuoritaan ja hapetetaan. Koska ultraäänireaktorin fysikaalisia olosuhteita voidaan valvoa tarkasti ja olettaen, että grafeenin pitoisuus seostuksena vaihtelee alueella 1 – 0.001%, grafeenin tuotanto jatkuvassa järjestelmässä kaupallisessa mittakaavassa on helppo asentaa. Teolliset ultraäänilaitteet ja inline-reaktorit korkealaatuisen grafeenin tehokkaaseen kuorintaan ovat helposti saatavilla.

Valmistetaan grafie- nioksidin ultraäänikäsittelyn avulla

Oh et ai. (2010) ovat osoittaneet valmistelureitin ultraäänimittauksella grafie- nioksidipohjaisten (GO) kerrosten tuottamiseksi. Siksi ne suspendoivat 25 milligrammaa grafeenia oksidijauhetta 200 ml: ssa deionisoitua vettä. Sekoittamalla ne saivat epähomogeenisen ruskean suspension. Tuloksena saadut suspensiot sonikoitiin (30 min, 1,3 x 105 J) ja kuivaamisen jälkeen (373 K: ssa) tuotettiin ultraäänellä käsitelty grafeenin oksidi. FTIR-spektroskopia osoitti, että ultraäänikäsittely ei muuttanut grafeenin oksidien funktionaalisia ryhmiä.

SEM-kuva grafeenin koskemattomista nanosheeteistä, jotka on saatu ultraäänellä (Oh et ai., 2010)

Graphene Sheetsin funktionaalisuus

Xu ja Suslick (2011) kuvaavat kätevää yksivaiheista menetelmää polystyreeni funktionaalisen grafiitin valmistamiseksi. Heidän tutkimuksessaan he käyttivät grafiittihiutaleita ja styreeniä perusraaka-aineena. Sonifikaationa grafiittihiutaleita styreenissä (reaktiivinen monomeeri) ultrasuuntainen säteilytys johti grafiittihiutaleiden mekaaniseen kemialliseen kuorintaan yksikerroksisiksi ja harvoiksi kerroksiksi grafeenilevyiksi. Samanaikaisesti grafeenilevyjen funktionalisointi polystyreeniketjujen kanssa on saavutettu.
Sama funktionalisointiprosessi voidaan suorittaa muiden vinyyli-monomeerien kanssa gra- dieniin perustuvissa komposiiteissa.

grafeeni Hajonta

Grageenin ja grafeenioksidin dispergointitaso on äärimmäisen tärkeä graeneen koko potentiaalin käyttämiseksi sen ominaispiirteiden kanssa. Jos grafeenia ei ole hajonnut kontrolloiduissa olosuhteissa, grafeenidispersion polydispersiteetti voi johtaa odottamattomaan tai epäideaaliseen käyttäytymiseen, kun se sisällytetään laitteisiin, koska grafeenin ominaisuudet vaihtelevat rakenteellisten parametriensa funktiona. Sonikaatio on osoitettu käsittely heikentää välikerrosvoimia ja mahdollistaa tärkeiden käsittelyparametrien tarkan hallinnan.
"Graeneenioksidille (GO), joka tyypillisesti kuoritaan yksikerroksisena arkkina, yksi tärkeimmistä polydispersiteettihaasteista syntyy hiutaleiden lateraalisen alueen vaihteluista. On osoitettu, että GO: n keskimääräinen sivukoko voidaan siirtää 400 nm: stä 20 um: iin muuttamalla grafiitti lähtöainetta ja sonikaatio-olosuhteita. "(Green et al., 2010)
Grafeenin ultraäänidispergointi, joka johtaa hienoihin ja jopa kolloidisiin lietteisiin, on osoitettu useissa muissa tutkimuksissa. (Liu ym. 2011/ Baby ym. 2011/ Choi ym. 2010)
Zhang et ai. (2010) ovat osoittaneet, että ultrasonication käytöllä saavutetaan stabiili grafeenidispersio, jonka suuruus on 1 mg · ml-1 ja suhteellisen puhdas grafeenilevy, ja valmistetuilla grafeenilevyillä on suuri sähkönjohtavuus 712 S · m^-1. Fourier-muunnettujen infrapunaspektrien ja Raman-spektrien tutkimusten tulokset osoittivat, että ultraäänimittausmenetelmällä on vähemmän vahinkoa grafeenin kemiallisille ja kiteisille rakenteille.

Korkean suorituskyvyn ultraääniastiat grafeenin kuorintaan

Korkealaatuisten grafeenin Nano-levyjen tuotantoon tarvitaan luotettavia korkean suoritus kyvyn Ultra ääni laitteita. Amplitudi, paine ja lämpö tila ovat olennaisia parametreja, jotka ovat olennaisia toistettavuuden ja johdonmukaisen tuotteen laadun kannalta. Hielscher Ultrasonics’ Ultraääniprosessorit ovat tehokkaita ja tarkasti hallittavia järjestelmiä, jotka mahdollistavat prosessiparametrien tarkan asettamisen ja jatkuvan suuritehoisen ultraäänilähdön. Hielscher Ultrasonics teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudit. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7 toiminnan raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.
Asiakkaamme ovat tyytyväisiä Hielscher Ultrasonics -järjestelmien erinomaiseen kestävyyteen ja luotettavuuteen. Asennus raskaisiin sovelluksiin, vaativiin ympäristöihin ja 24/7 käyttöön takaavat tehokkaan ja taloudellisen käsittelyn. Ultraääniprosessin tehostaminen vähentää käsittelyaikaa ja saavuttaa parempia tuloksia eli parempaa laatua, suurempia saantoja, innovatiivisia tuotteita.
Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Hiilikuitujen valmistelu

Hiilinanorullat ovat samanlaisia kuin moniseinäiset hiilinanoputket. Ero MWCNT: hen on avoimet kärjet ja sisäpintojen täydellinen pääsy muille molekyyleille. Ne voidaan syntetisoida märkäkemiallisesti interkaloimalla grafiittia kaliumin kanssa, kuorimalla vedessä ja sonikoimalla kolloidinen suspensio. (vrt. Viculis ym. 2003) Ultrasonication auttaa grafeenin yksikerroksisten vierittämistä hiilinanorullaksi (katso alla oleva kuva). Korkea 80%: n muuntohyötysuhde on saavutettu, mikä tekee nanorullan tuotannosta mielenkiintoisen kaupallisiin sovelluksiin.

Hiilinanovierien ultraäänisynteesi (Viculis et ai., 2003)

Nanoribbonien valmistus

Hongjie Dain ja hänen Stanford-yliopiston kollegoidensa tutkimusryhmä löysi tekniikan valmistella nanoribboneja. Graphene-nauhat ovat ohuita graphene-nauhoja, joilla voi olla jopa käyttökelpoisempia ominaisuuksia kuin grafeenilevyt. Leveys noin 10 nm tai pienempi, grabenin nauhat käyttäytyminen on samanlainen kuin puolijohde kuin elektronit ovat pakko liikkua pituussuunnassa. Tällöin voisi olla mielenkiintoista käyttää nanometrejä puolijohdekomponenttien kanssa elektroniikassa (esim. Pienemmät, nopeammat tietokonekoodit).
Dai et ai. grabenin nanoribbonin emästen valmistaminen kahdessa vaiheessa: ensinnäkin ne löysivät grafeenin kerrokset grafiitista lämpökäsittelyllä 1000 ºC: n lämpötilassa minuutin ajan 3% vetyllä argonkaasussa. Sitten grafeenin hajotettiin nauhoiksi käyttämällä ultraääni. Tämän tekniikan avulla saadut nanoromponentit ovat luonteeltaan paljon "sileämpiä’ reunat kuin tavanomaisilla litografisilla välineillä. (Jiao et al. 2009)