Nanoplaquettes de graphène synthétisées et dispersées par sonde-sonication

Les nanoplaquettes de graphène (GNP) peuvent être synthétisées et dispersées avec une grande efficacité et fiabilité à l'aide de sonicateurs. Les ultrasons à haute intensité sont utilisés pour exfolier le graphite et obtenir du graphène à quelques couches, souvent appelé nanoplaquettes de graphène. La sonication permet également d'obtenir une excellente distribution des nanoplaquettes de graphène dans des suspensions peu ou très visqueuses.

Traitement des nanoplaquettes de graphène – Des résultats supérieurs grâce à la sonication

Pour le traitement des nanoplaquettes de graphène, les sonicateurs à sonde constituent l'outil le plus efficace, le plus fiable et le plus facile à utiliser. Étant donné que les ultrasons peuvent être utilisés pour la synthèse, la dispersion et la fonctionnalisation des nanoplaquettes de graphène, les sonicateurs sont utilisés pour de nombreuses applications liées au graphène :

• Exfoliation et synthèse Des sonicateurs à sonde sont utilisés pour exfolier le graphite en graphène à quelques couches ou en nanoplaquettes de graphène. Les ultrasons de haute intensité perturbent les forces entre les couches et décomposent le graphite en feuilles de graphène plus petites et individuelles.
• Dispersion : La dispersion uniforme des nanoplaquettes de graphène dans un milieu liquide est cruciale pour toutes les applications liées au graphène. Les sonicateurs à sonde peuvent disperser les nanoplaquettes uniformément dans le liquide, empêchant ainsi leur agglomération et garantissant une suspension stable.
• Fonctionnalisation : La sonication facilite la fonctionnalisation des nanoplaquettes de graphène en favorisant l'attachement de groupes fonctionnels ou de molécules à leur surface. Cette fonctionnalisation améliore leur compatibilité avec des polymères ou des matériaux spécifiques.

Synthèse de nanoplaquettes de graphène par sonication

Les nanoplaquettes de graphène peuvent être synthétisées par exfoliation du graphite assistée par ultrasons. Pour ce faire, une suspension de graphite est sonifiée à l'aide d'un homogénéisateur ultrasonique à sonde. Cette procédure a été testée avec des concentrations solides très faibles (par exemple 4 % en poids ou moins) à élevées (par exemple 10 % en poids ou plus).
 
Ghanem and Rehim (2018) report the ultrasonic exfoliation of graphite in water with the aid of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) in order to prepare dispersed graphene nanoplatelets using a the probe-type sonicator UP 100H allowed for the successful preparation of defect-free few-layer graphene (>5). The following precursor was used: reduced graphene nanosheets were prepared via Hummer method and treated with two additional steps, oxidation of graphite followed by reduction of graphene oxide. Thereby, dispersed graphene nanoplatelets were obtained in water via solvent dispersion method (see scheme below). Graphite layers were exfoliated with sonication using the probe-type sonicator UP100H (100 W). 0.25 g SDS was dissolved in 150 mL deionized water and then 0.5 g of graphite was added. The graphite solution was sonicated for 12h in an ice bath and then the suspension solution was centrifuged at 686× g for 30 min to remove the large particles. The precipitate was discarded and supernatant was re-centrifuged for 90 min at 12,600× g. The obtained dispersed graphene nanoplatelets were washed well several times to get rid of the surfactant. Finally, the product was dried at 60ºC under vacuum.

Images au microscope électronique à transmission à haute résolution des nanosheets de graphène obtenus
par dispersion en phase aqueuse assistée par ultrasons et méthode Hummer.
(Étude et graphique : Ghanem et Rehim, 2018)

Quelle est la différence entre les feuilles de graphène et les nanoplaquettes ?

Les feuilles de graphène et les nanoplaquettes de graphène sont deux nanomatériaux composés de graphène, qui est une couche unique d'atomes de carbone disposés dans un réseau hexagonal. Les feuilles de graphène et les nanoplaquettes de graphène sont parfois utilisées comme des termes interchangeables. Mais d'un point de vue scientifique, il existe quelques différences entre ces nanomatériaux de graphène : La principale différence entre les feuilles de graphène et les nanoplaquettes de graphène réside dans leur structure et leur épaisseur. Les feuilles de graphène sont constituées d'une seule couche d'atomes de carbone et sont exceptionnellement fines, tandis que les nanoplaquettes de graphène sont plus épaisses et composées de plusieurs couches de graphène empilées. Ces différences structurelles peuvent avoir un impact sur leurs propriétés et leur aptitude à des applications spécifiques. L'utilisation de sonicateurs à sonde est une technique très efficace et efficiente pour synthétiser, disperser et fonctionnaliser des feuilles de graphène monocouche ainsi que des nanoplaquettes de graphène empilées sur plusieurs couches.

Graphique visualisant la synthèse ultrasonique de nanoplaquettes de graphène à l'aide du sonicateur UP100H
(Étude et graphique : Ghanem et Rehim, 2018)

Dispersion de nanoplaquettes de graphène par sonication

La dispersion uniforme des nanoplaquettes de graphène (GNP) est cruciale dans diverses applications car elle a un impact direct sur les propriétés et les performances des matériaux ou des produits qui en résultent. C'est pourquoi des sonicateurs sont installés pour disperser les nanoplaquettes de graphène dans diverses industries. Les industries suivantes sont des exemples marquants de l'utilisation des ultrasons de puissance :
 

• Nano-composites : Les nanoplaquettes de graphène peuvent être incorporées dans divers matériaux nanocomposites, tels que les polymères, afin d'améliorer leurs propriétés mécaniques, électriques et thermiques. Les sonicateurs à sonde permettent de disperser uniformément les nanoplaquettes dans la matrice polymère, ce qui améliore les performances du matériau.
• Électrodes et piles : Les nanoplaquettes de graphène sont utilisées dans le développement d'électrodes à haute performance pour les batteries et les supercondensateurs. La sonication permet de créer des matériaux d'électrodes à base de graphène bien dispersés avec une surface accrue, ce qui améliore les capacités de stockage de l'énergie.
• Catalyse : La sonication peut être utilisée pour préparer des matériaux catalytiques à base de nanoplaquettes de graphène. La dispersion uniforme des nanoparticules catalytiques sur la surface du graphène peut améliorer l'activité catalytique dans diverses réactions.
• Capteurs : Les nanoplaquettes de graphène peuvent être utilisées dans la fabrication de capteurs pour diverses applications, notamment la détection de gaz, la biodétection et la surveillance de l'environnement. La sonication assure une distribution homogène des nanoplaquettes dans les matériaux des capteurs, ce qui permet d'améliorer la sensibilité et les performances.
• Revêtements et films : Les sonicateurs à sonde sont utilisés pour préparer des revêtements et des films à base de nanoplaquettes de graphène pour des applications dans l'électronique, l'aérospatiale et les revêtements de protection. Une dispersion uniforme et une bonne adhérence aux substrats sont cruciales pour ces applications.
• Applications biomédicales : Dans les applications biomédicales, les nanoplaquettes de graphène peuvent être utilisées pour l'administration de médicaments, l'imagerie et l'ingénierie tissulaire. La sonication facilite la préparation des nanoparticules et des composites à base de graphène utilisés dans ces applications.

Images SEM de nanoplaquettes de graphène à (b) X3000 et (c) X8000
(Étude et images : ©Alizadeh et al., 2018)

Des résultats scientifiquement prouvés pour les dispersions ultrasoniques de nanoplaquettes de graphène

Les scientifiques ont utilisé les sonicateurs Hielscher pour la synthèse et la dispersion de nanoplaquettes de graphène dans de nombreuses études et ont testé les effets de l'ultrasonication avec vigueur. Vous trouverez ci-dessous quelques exemples de mélange réussi de nanoplaquettes de graphène dans différents mélanges tels que des boues aqueuses, des résines expoyées ou du mortier.
 
Une procédure courante pour la dispersion fiable, rapide et uniforme des nanoplaquettes de graphène est la suivante :
Pour la dispersion, les nanoplaquettes de graphène ont été soniquées dans de l'acétone pure à l'aide du mélangeur ultrasonique Hielscher UP400S pendant près d'une heure afin d'empêcher l'agglomération des feuilles de graphène. L'acétone a été complètement éliminée par évaporation. Ensuite, les nanoplaquettes de graphène ont été ajoutées à 1 % en poids du système époxy et ont été soniquées dans la résine époxy à 90 W pendant 15 minutes.
(cf. Cakir et al., 2016)
 
Une autre étude porte sur le renforcement des nanofluides à base de liquide ionique (ionanofluides) par l'ajout de nanoplaquettes de graphène. Pour une meilleure dispersion, le mélange de nanoplaquettes de graphène, de liquide ionique et de dodécyl benzène sulfonate de sodium a été homogénéisé à l'aide du sonicateur à sonde Hielscher UP200S pendant environ 90 minutes.
(cf. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) rapportent l'incorporation efficace de nanoplaquettes de graphène dans du mortier. Par conséquent, des suspensions aqueuses de graphène ont été produites par l'ajout de nanoplaquettes - à des poids inscrits par les teneurs cibles souhaitables dans les matériaux résultants - dans des mélanges d'eau du robinet ordinaire et de plastifiant, puis par agitation magnétique pendant 2 min. Les suspensions ont été homogénéisées par ultrasons pendant 90 minutes à température ambiante, à l'aide d'un appareil Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) équipé d'une sonotrode de 22 mm délivrant une puissance de 4500 J/min à une fréquence de 24 kHz. La combinaison spécifique du taux d'énergie et de la durée de sonication a été établie comme optimale après une étude méticuleuse de l'effet des paramètres d'ultrasonication sur la qualité de la suspension.
(cf. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) affirment dans leur recherche qu'une technique de dispersion appropriée telle que la sonication garantit que les nanomatériaux tels que les nanoplaquettes de graphène peuvent améliorer les propriétés des matériaux de remplissage. Cela est dû au fait que la dispersion est l'un des facteurs les plus importants pour la production de nanocomposites de haute qualité tels que le coulis époxy.

Sonicateurs haute performance pour le traitement des nanoplaquettes de graphène

Hielscher Ultrasonics est le leader du marché des ultrasons de haute performance pour le traitement des nanomatériaux. Les sonicateurs à sonde de Hielscher sont utilisés dans le monde entier dans les laboratoires et les installations industrielles pour diverses applications, y compris le traitement des nanoplaquettes de graphène.
Une technologie de pointe, un savoir-faire et une ingénierie allemands ainsi qu'une longue expérience technique font de Hielscher Ultrasonics votre partenaire privilégié pour des applications ultrasoniques réussies.

Conception, fabrication et conseil – Qualité Made in Germany

Les ultrasons Hielscher sont réputés pour leur qualité et leurs normes de conception les plus élevées. La robustesse et la facilité d'utilisation permettent une intégration aisée de nos ultrasons dans les installations industrielles. Les conditions difficiles et les environnements exigeants sont facilement gérés par les ultrasons Hielscher.

Hielscher Ultrasonics est une entreprise certifiée ISO et met l'accent sur les ultrasons de haute performance, dotés d'une technologie de pointe et d'une grande facilité d'utilisation. Bien entendu, les ultrasons Hielscher sont conformes à la norme CE et répondent aux exigences des normes UL, CSA et RoHs.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :