Exfoliation par ultrasons du graphène dispersible dans l’eau
- Les nanofeuillets de graphène monocouche et bicouche peuvent être produits rapidement par exfoliation par ultrasons, avec une cadence de production élevée et à faible coût.
- Le graphène exfolié par ultrasons peut être fonctionnalisé avec des biopolymères afin d’obtenir du graphène dispersible dans l’eau.
- La cavitation ultrasonore permet de poursuivre le traitement du graphène synthétisé pour obtenir une dispersion aqueuse stable.
Exfoliation par ultrasons de graphène de haute qualité
La sonication est une méthode fiable pour produire des couches de graphène (graphène monocouche, bicouche et à quelques couches) à partir de paillettes ou de particules de graphite. Alors que d’autres techniques courantes d’exfoliation, telles que les broyeurs à billes et à cylindres ou les mélangeurs à fort cisaillement, sont associées à une faible qualité et à l’utilisation de réactifs et de solvants agressifs, la méthode d’exfoliation par ultrasons se distingue par la haute qualité du produit obtenu, sa capacité de traitement élevée et ses conditions de traitement douces.
La cavitation ultrasonore crée des forces de cisaillement intenses qui séparent les couches de graphite empilées en graphène monocouche, bicouche et à quelques couches, sans défauts.
Feuillets de graphène dispersibles dans l’eau obtenus par sonication
La sonication est un procédé efficace aux résultats reproductibles pour démêler les nanotubes de carbone dans l’eau ou dans des solvants organiques.[/caption]Dans des conditions normales, le graphène est difficilement dispersible dans l’eau et forme des agrégats et des agglomérats lorsqu’il est dispersé en milieu aqueux. Les systèmes aqueux présentant des avantages considérables en raison de leur faible coût, de leur absence de toxicité et de leur caractère respectueux de l’environnement, les systèmes de graphène à base d’eau sont particulièrement intéressants pour les fabricants de graphène et les industries en aval.
Pour obtenir des nanofeuillets de graphène dispersibles dans l’eau, le graphène exfolié par ultrasons est modifié avec des polysaccharides / biopolymères tels que le pullulane, le chitosane, l’alginate, la gélatine ou la gomme arabique.
- graphène de haute qualité
- rendement élevé
- dispersion aqueuse
- concentration élevée
- efficacité élevée
- procédé rapide
- faible coût
- cadence de production élevée
- respectueux de l’environnement
Réacteur ultrasonore équipé d’appareils à ultrasons à sonde pour l’exfoliation de graphène à l’échelle industrielle
Protocole d’exfoliation directe du graphite par ultrasons
Le pullulane non ionique et l’alginate anionique (1,0 g) ont été dissous séparément dans 20 ml d’eau distillée, tandis que le chitosane cationique (0,4 g) a été dissous dans 20 ml d’eau distillée contenant 1 wt% d’acide acétique. La poudre de graphite a été dispersée dans les solutions aqueuses de biopolymères et traitée à l’aide d’un appareil à ultrasons à sonde UP200S (puissance maximale 200 W, fréquence 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Allemagne) équipé d’une sonotrode en titane (micropointe S3, diamètre de la pointe 3 mm, amplitude maximale 210µm, densité de puissance acoustique ou intensité surfacique 460 W cm-2) dans les conditions suivantes : cycle de 0,5 et amplitude de 50%, pendant respectivement 10, 20, 30 et 60 min. Les meilleurs résultats ont été obtenus après 30min de sonication. La sonication a été appliquée à une puissance de 16,25 W pendant 30 minutes, avec une consommation d’énergie (énergie délivrée par unité de volume) de 731 Ws ml-1.
Les mélanges ont ensuite été centrifugés à 1500 rpm pendant 60 min pour éliminer les particules de graphite non exfoliées, puis lavés 5 fois et de nouveau centrifugés à 5000 rpm pendant 20 min pour éliminer les biopolymères en excès. Les solutions gris foncé obtenues ont été séchées sous vide à 40ºC jusqu’à ce qu’aucune perte de masse ne soit plus observée. Les poudres polymère–graphène obtenues ont été redispersées dans l’eau (1 mg ml-1 pour le pullulane et le chitosane ; 0,18 mg ml-1 pour l’alginate) en vue de leur caractérisation. Les feuillets de graphène obtenus par sonication assistée par le pullulane, l’alginate et le chitosane ont été désignés respectivement pull-G, alg-G et chit-G.
Parmi les trois systèmes, le pullulane et le chitosane se sont révélés plus efficaces que l’alginate pour l’exfoliation du graphite. Cette méthode a permis d’obtenir des feuillets de graphène exfoliés monocouches, bicouches et à quelques couches ne présentant que peu de défauts latéraux (sur les bords). L’adsorption des biopolymères à la surface du graphène confère à la dispersion aqueuse une stabilité durable (plus de 6 mois).
(cf. Unalan et al. 2015)
Une séquence d’images à haute vitesse (de a à f) illustrant l’exfoliation sonomécanique d’une paillette de graphite dans l’eau à l’aide du UP200S, un appareil à ultrasons de 200W équipé d’une sonotrode de 3-mm. Les flèches indiquent l’emplacement de la séparation (exfoliation), avec des bulles de cavitation pénétrant dans la fissure.
(étude et images : © Tyurnina et al. 2020
Images de microscopie électronique en transmission (TEM) de pull-G pour : (a) 10 min ; (b) 20 min ; (c) 30 min ; (d) 60 min ; (e) chit-G pendant 30 min ; (f) alg-G pendant 30 min. (Unalan et al. 2015)
Appareils à ultrasons pour l’exfoliation du graphène
Les processeurs ultrasonores de haute puissance Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour exfolier et disperser efficacement le graphite et le graphène. Nos disperseurs à ultrasons sont disponibles dans des modèles allant des appareils de laboratoire et de paillasse aux unités de production entièrement industrielles. Outre leur robustesse, leur fonctionnement 24/7 et leurs faibles besoins de maintenance, les appareils à ultrasons Hielscher se distinguent par leur grande facilité de mise en œuvre et leur mise à l’échelle linéaire.
Les procédés peuvent être facilement testés et optimisés en laboratoire. Tous les résultats du procédé peuvent ensuite être transposés de manière entièrement linéaire à l’échelle de la production commerciale. La sonication constitue ainsi une méthode de production efficace et efficiente pour produire de grands volumes de feuillets de graphène de haute qualité.
Les processeurs ultrasonores industriels Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent être facilement maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasonores sur mesure sont disponibles. Des réacteurs ultrasonores adaptés permettent une production de masse fiable et sûre de nanofeuillets de graphène de haute qualité, ainsi que de dispersions stables de nanofeuillets.
La robustesse des équipements ultrasonores Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos appareils à ultrasons :
| Volume par lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000 |
| s.o. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| s.o. | supérieur | groupe de UIP16000 |
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Mécanisme d’exfoliation par ultrasons de nanofeuillets 2D.
(étude et illustration : Tyurnina et al., 2020)
Informations utiles
Graphène
Le graphène est une monocouche d’atomes de carbone liés par hybridation sp2. Le graphène présente des caractéristiques matérielles uniques, telles qu’une surface spécifique extraordinairement élevée (2620 m2 g-1), des propriétés mécaniques supérieures avec un module de Young de 1 TPa et une résistance intrinsèque de 130 GPa, une conductivité électronique extrêmement élevée (mobilité des électrons à température ambiante de 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), une conductivité thermique très élevée (supérieure à 3000 W m K-1), pour ne citer que les propriétés les plus importantes. Grâce à ses propriétés matérielles supérieures, le graphène est largement utilisé dans le développement et la production de batteries hautes performances, de piles à combustible, de cellules solaires, de supercondensateurs, de systèmes de stockage d’hydrogène, de blindages électromagnétiques et de dispositifs électroniques. Le graphène est également incorporé dans de nombreux nanocomposites et matériaux composites comme additif de renforcement, par exemple dans les polymères, les céramiques et les matrices métalliques. En raison de sa conductivité élevée, le graphène est un composant important des peintures et des encres conductrices.
La préparation rapide et sûre par ultrasons de graphène sans défauts en grands volumes et à faible coût permet d’étendre les applications du graphène à un nombre croissant de secteurs industriels.
Bibliographie/Références
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons hautes performances, de l’échelle du laboratoire à l’échelle industrielle.