Exfoliation ultrasonique de graphène dispersable dans l'eau
- Les nanofeuillets de graphène monocouches et bicouches peuvent être produits rapidement par exfoliation ultrasonique avec un rendement élevé et à faible coût.
- Le graphène exfolié par ultrasons peut être fonctionnalisé avec des biopolymères afin d'obtenir un graphène dispersable dans l'eau.
- Par cavitation ultrasonique, le graphène synthétisé peut être transformé en une dispersion stable à base d'eau.
Exfoliation ultrasonique de graphène de haute qualité
L'ultrasonication est une méthode fiable pour produire des couches de graphène (mono-, bi- et multicouches) à partir de paillettes ou de particules de graphite. Alors que d'autres techniques d'exfoliation courantes, telles que les broyeurs à billes et à cylindres ou les mélangeurs à cisaillement élevé, sont associées à une qualité médiocre et à l'utilisation de réactifs et de solvants agressifs, la méthode d'exfoliation par ultrasons convainc par la qualité élevée de ses résultats, sa grande capacité de traitement et ses conditions de traitement douces.
La cavitation ultrasonique crée des forces de cisaillement intenses qui séparent les couches de graphite empilées en mono-, bi- et quelques couches de graphène sans défaut.
Feuilles de graphène dispersables dans l'eau par sonication
L'ultrasonication est une procédure efficace avec des résultats répétables pour démêler les carbonnanotubes dans l'eau ou les solvants organiques[/caption]Dans des conditions normales, le graphène est difficilement dispersable dans l'eau et forme des agrégats et des agglomérats lorsqu'il est dispersé dans un milieu aqueux. Les systèmes aqueux présentant les avantages significatifs d'être peu coûteux, non toxiques et respectueux de l'environnement, les systèmes de graphène à base d'eau sont très attrayants pour les fabricants de graphène et l'industrie en aval.
Afin d'obtenir des nanofeuillets de graphène dispersables dans l'eau, le graphène exfolié par ultrasons est modifié avec des polysaccharides / biopolymères tels que le pullulan, le chitosan, l'alginate, la gélatine ou la gomme arabique.
- graphène de haute qualité
- rendement élevé
- dispersion à base d'eau
- forte concentration
- haute efficacité
- processus rapide
- faible coût
- Haut débit
- respectueux de l'environnement
Réacteur à ultrasons avec ultrasons de type sonde pour l'exfoliation du graphène à l'échelle industrielle
Protocole d'exfoliation directe du graphite par ultrasons
Le pullulan 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 avec 1 % en poids d'acide acétique. La poudre de graphite a été dispersée dans les solutions aqueuses de biopolymères et traitée à l'aide d'un ultrasonateur à sonde UP200S (puissance maximale de 200 W, fréquence de 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Allemagne) équipé d'une sonotrode en titane (micro pointe S3, diamètre de la pointe 3 mm, amplitude maximale de 210µm, densité de puissance acoustique ou intensité de surface 460 W cm-2) dans les conditions suivantes : 0,5 cycle et 50 % d'amplitude, pendant une période de 10, 20, 30 et 60 minutes, respectivement. Les meilleurs résultats ont été obtenus avec une sonication de 30 minutes. La sonication a été appliquée à une puissance de 16,25 W pendant 30 minutes, avec une consommation d'énergie (production d'énergie par unité de volume) de 731 Ws ml-1.
Ensuite, les mélanges ont été centrifugés à 1500 tours/minute pendant 60 minutes pour éliminer les particules de graphite nonfoliées, puis lavés 5 fois et centrifugés à nouveau à 5000 tours/minute pendant 20 minutes pour éliminer l'excès de biopolymères. Les solutions gris foncé obtenues ont été séchées sous vide à 40ºC jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de perte de masse. Les poudres de polymère-graphène obtenues ont été redispersées dans l'eau (1 mg ml-1 pour le pullulan et le chitosan ; 0,18 mg ml-1 pour l'alginate) pour la caractérisation. Les feuilles de graphène obtenues par ultrasonication assistée par le pullulan, l'alginate et le chitosane ont été désignées respectivement par les termes pull-G, alg-G et chit-G.
Sur les trois systèmes, le pullulan et le chitosan ont été plus efficaces dans l'exfoliation du graphite que l'alginate. Cette méthode a permis d'obtenir des feuilles de graphène exfoliées à une, deux ou quelques couches avec seulement de faibles défauts latéraux (bords). L'adsorption de biopolymères sur la surface du graphène assure une stabilité durable (plus de 6 mois) de la dispersion aqueuse.
(cf. Unalan et al. 2015)
Séquence à grande vitesse (de a à f) d'images illustrant l'exfoliation sono-mécanique d'une paillette de graphite dans l'eau en utilisant l'UP200S, un appareil à ultrasons de 200 W avec une sonotrode de 3 mm. Les flèches montrent l'endroit de la fissuration (exfoliation) avec des bulles de cavitation pénétrant dans la fissure.
(étude et photos : © Tyurnina et al. 2020
Images TEM de pull-G pendant : (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)
Ultrasons pour l'exfoliation du graphène
Les processeurs ultrasoniques haute puissance de Hielscher sont utilisés dans le monde entier pour l'exfoliation et la dispersion réussies du graphite et du graphène. Nos disperseurs à ultrasons sont disponibles pour les laboratoires et les paillasses jusqu'aux unités de production industrielle complètes. Outre leur robustesse, leur fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 et leur faible entretien, les appareils à ultrasons Hielscher se distinguent par leur grande facilité de traitement et leur évolutivité linéaire.
Les processus peuvent être facilement testés et optimisés en laboratoire. Par la suite, tous les résultats des processus peuvent être mis à l'échelle de façon complètement linéaire jusqu'au niveau de la production commerciale. Cela fait de la sonication une méthode de production efficace et efficiente pour la production en grande quantité de feuilles de graphène de haute qualité.
Les processeurs ultrasoniques industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. Les réacteurs à ultrasons correspondants garantissent la capacité d'une production de masse fiable et sûre de nanofeuillets de graphène de haute qualité ainsi que de dispersions stables de nanofeuillets.
La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher lui permet de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des conditions difficiles et dans des environnements exigeants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs 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 |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Mécanisme d'exfoliation ultrasonique de nanoparticules 2D.
(étude et graphique : Tyurnina et al., 2020)
Qu'il faut savoir
graphène
Le graphène est une monocouche de sp2-atomes de carbone liés entre eux. Le graphène présente des caractéristiques matérielles uniques, telles qu'une surface spécifique extraordinairement grande (2620 m2g-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-1s-1), une conductivité thermique très élevée (supérieure à 3000 W m K-1), pour ne citer que les propriétés les plus importantes. En raison de ses propriétés matérielles supérieures, le graphène est largement utilisé dans le développement et la production de batteries à haute performance, de piles à combustible, de cellules solaires, de supercondensateurs, de réservoirs d'hydrogène, de boucliers électromagnétiques et d'appareils électroniques. En outre, le graphène est incorporé dans de nombreux nanocomposites et matériaux composites en tant qu'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 rapidité et la sécurité préparation ultrasonique de graphène sans défaut L'utilisation du graphène en grandes quantités et à faible coût permet d'élargir les applications du graphène à un nombre croissant d'industries.
Littérature/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 très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.