Production de graphène par ultrasons

La synthèse ultrasonique du graphène par exfoliation du graphite est la méthode la plus fiable et la plus avantageuse pour produire des feuilles de graphène de haute qualité à l'échelle industrielle. Les processeurs ultrasoniques haute performance de Hielscher sont contrôlables avec précision et peuvent générer de très grandes amplitudes en fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7. Cela permet de préparer de grands volumes de graphène vierge de manière simple et contrôlable.

Préparation à ultrasons de graphène

Puisque les caractéristiques extraordinaires du graphite sont connues, plusieurs méthodes pour sa préparation ont été développées. A côté de la production chimique de graphènes à partir d'oxyde de graphène dans des procédés à plusieurs étapes, pour lesquels des agents oxydants et réducteurs très puissants sont nécessaires. De plus, le graphène préparé dans ces conditions chimiques sévères contient souvent une grande quantité de défauts même après réduction par rapport aux graphènes obtenus à partir d'autres méthodes. Cependant, l'échographie est une alternative éprouvée pour produire du graphène de haute qualité, même en grande quantité. Les chercheurs ont développé des méthodes légèrement différentes en utilisant l'ultrason, mais en général la production de graphène est un processus simple en une étape.
Pour donner un exemple d'un circuit de production de graphène spécifique: Le graphite est ajouté à un mélange d'acide organique dilué, de l'alcool et de l'eau, puis le mélange est exposé à une irradiation ultrasonore. L'acide fonctionne comme “coin moléculaire” qui sépare les feuilles de graphène à partir du graphite parent. Par ce processus simple, est créé une grande quantité de bon état, le graphène de haute qualité dispersé dans l'eau. (An et al., 2010)

Fig. 1: l'image AFM de feuilles GO exfoliée avec trois profils de hauteur acquises à différents endroits (Stankovich et al 2007).

Graphène direct Exfoliation

L'échographie permet la préparation de graphènes dans des solvants organiques, des agents tensioactifs / solutions aqueuses ou de liquides ioniques. Cela signifie que l'on peut éviter l'utilisation d'oxydants forts ou agents réducteurs. Stankovich et al. (2007) produit par graphène exfoliation sous ultrasonication.
Les images AFM d'oxyde de graphène exfolié par traitement par ultrasons à des concentrations de 1 mg / mL dans de l'eau toujours révélé la présence de feuilles avec une épaisseur uniforme (~ 1 nm; exemple est représenté sur la figure 1 ci-dessous.). Ces échantillons bien exfoliée d'oxyde de graphène ne contenaient pas de feuilles soit plus épais ou plus mince que 1 nm, ce qui conduit à la conclusion que l'exfoliation complète d'oxyde de graphène jusqu'à des feuilles individuelles d'oxyde de graphène a en effet été atteint dans ces conditions. (Stankovich et al., 2007)

Préparation des feuilles de graphène

Stengl et al. ont montré la préparation réussie de feuilles de graphène pures en grande quantité au cours de la production de TiO2 non stoechiométrique graphène nanocomposit par hydrolyse thermique de la suspension avec nanofeuilles de graphène et l'oxyde de titane peroxo complexe. Les nanofeuilles de graphène pures ont été produites à partir de graphite naturel en utilisant un champ de cavitation de forte intensité générée par le processeur à ultrasons Hielscher UIP1000hd dans un réacteur à ultrasons à haute pression à 5 bar. Les feuilles de graphène obtenues, avec grande surface spécifique et les propriétés électroniques uniques, peuvent être utilisés comme un bon support pour TiO2 pour améliorer l'activité photocatalytique. Le groupe de recherche affirme que la qualité du graphène préparé est beaucoup plus élevé ultra-sons que le graphène obtenu par la méthode de Hummer, où le graphite est exfoliée et oxydé. Étant donné que les conditions physiques dans le réacteur à ultrasons peuvent être commandés avec précision et en supposant que la concentration de graphène comme dopant variera dans la plage de 1 – 00,001%, la production de graphène dans un système continu sur échelle commerciale est possible.

Préparation par ultrasons Traitement de graphène oxyde

Oh et al. (2010) ont montré une voie de préparation en utilisant une irradiation par ultrasons pour produire des couches d'oxyde de graphène (GO). Par conséquent, ils ont suspendu vingt-cinq milligrammes de poudre d'oxyde de graphène dans 200 ml d'eau dé-ionisée. Par agitation, ils ont obtenu une suspension brune inhomogène. Les suspensions résultantes ont été traitées par ultrasons (30 min, 1,3 x 105J), et après séchage (à 373 K) de l'oxyde de graphène traitée par ultrasons a été produit. Une spectroscopie FTIR a montré que le traitement par ultrasons n'a pas modifié les groupes fonctionnels de l'oxyde de graphène.

Fig. 2: image SEM de nanofeuilles de graphène obtenus par ultrasonication (Oh et al 2010).

Fonctionnalisation des feuilles de graphène

Xu et Suslick (2011) décrivent une méthode en une étape pratique pour la préparation de graphite fonctionnalisés de polystyrène. Dans leur étude, ils ont utilisé des flocons de graphite et du styrène comme matière première de base. Par sonication les paillettes de graphite dans du styrène (un monomère réactif), l'irradiation d'ultrasons a abouti à l'exfoliation mécanochimique de paillettes de graphite en une seule couche et de feuilles de graphène quelques couches. Dans le même temps, la fonctionnalisation des feuilles de graphène avec les chaînes de polystyrène a été atteint.
On peut conduire la même procédure de fonctionnalisation avec d'autres monomères vinyliques pour les composites à base de graphène.

Préparation de nanorubans

Le groupe de recherche de Hongjie Dai et ses collègues de l'université de Stanford ont trouvé une technique pour préparer les nanorubans. Les rubans de graphène sont de fines bandes de graphène qui peuvent avoir des caractéristiques encore plus utiles que les feuilles de graphène. À des largeurs d'environ 10 nm ou moins, le comportement des rubans de graphène est similaire à celui d'un semi-conducteur car les électrons sont forcés de se déplacer dans le sens de la longueur. Ainsi, il pourrait être intéressant d'utiliser des nanorubans avec des fonctions semi-conductrices en électronique (par exemple pour des puces informatiques plus petites et plus rapides).
Dai et al. préparation de bases de graphène nanorubans sur deux étapes: tout d'abord, ils desserré les couches de graphène à partir de graphite par un traitement thermique de 1000 ° C pendant une minute à 3% d'hydrogène dans de l'argon gazeux. Ensuite, le graphène a été divisé en bandes en utilisant ultrasonication. Les nanorubans obtenus par cette technique se caractérisent par une grande « lisse’ bords que ceux réalisés par des moyens lithographiques classiques. (Jiao et al., 2009)

Préparation du carbone Nanoscrolls

Nanoscrolls de carbone sont similaires à des nanotubes de carbone à parois multiples. La différence est MWCNTs les conseils ouverts et l'accessibilité complète des surfaces internes à d'autres molécules. Ils peuvent être synthétisés chimiquement par voie humide en intercalant graphite avec du potassium, exfoliant dans l'eau et sonication de la suspension colloïdale. (Voir Viculis et al., 2003) Le ultrasonication aide le défilement vers le haut des monocouches de graphène en nanoscrolls de carbone (voir fig. 3). Un haut rendement de conversion de 80% a été atteint, qui rend la production de nanoscrolls intéressantes pour des applications commerciales.

Fig.3: synthèse par ultrasons de carbone Nanoscrolls (Viculis et al., 2003)

graphène dispersions

Le degré de dispersion du graphène et de l'oxyde de graphène est extrêmement important pour utiliser tout le potentiel du graphène avec ses caractéristiques spécifiques. Si le graphène n'est pas dispersé dans des conditions contrôlées, la polydispersité de la dispersion de graphène peut conduire à un comportement imprévisible ou non idéal une fois incorporé dans les dispositifs puisque les propriétés du graphène varient en fonction de ses paramètres structuraux. La sonication est un traitement éprouvé pour affaiblir les forces inter-couches et permettre un contrôle précis des paramètres de traitement importants.
« Pour l'oxyde de graphène (GO), qui est typiquement exfoliée sous forme de feuilles monocouches, l'un des principaux défis de polydispersité découle de variations dans la zone latérale des flocons. Il a été montré que la dimension latérale moyenne de GO peut être décalé de 400 nm à 20 um en modifiant le matériau de départ en graphite et les conditions de sonication. »(Green et al., 2010)
le ultrasons Dispersion de graphène résultant dans les boues fines et même colloïdales a été démontré dans d'autres études. (Liu et al., 2011 / Bébé et al., 2011 / Choi et al., 2010)
Zhang et al. (2010) ont montré que par l'utilisation d'ultrasons, d'une dispersion de graphène stable avec une forte concentration de 1 mg · mL-1 et les feuilles de graphène relativement purs sont obtenus, et les feuilles de graphène comme préparés présentent une conductivité électrique élevée de 712 S · m^-1. Les résultats de transformée de Fourier des spectres infrarouge et de l'examen des spectres Raman indiquent que le procédé de préparation aux ultrasons a moins d'endommager les structures chimiques et les cristaux de graphène.

Ultrasons haute performance

Pour la production de nanoplaques de graphène de haute qualité, il est nécessaire de disposer d'un équipement ultrasonique fiable et performant. L'amplitude, la pression et la température sont des paramètres essentiels, qui sont cruciaux pour la reproductibilité et la qualité constante des produits. Hielscher Ultrasons’ Les processeurs à ultrasons sont des systèmes puissants et précisément contrôlables, qui permettent le réglage exact des paramètres du processus et une sortie continue d'ultrasons de haute puissance. Hielscher Ultrasons’ Les processeurs ultrasoniques industriels peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement utilisées en continu 24h/24 et 7j/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La robustesse de l'équipement ultrasonique de Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, dans des environnements difficiles et exigeants.
Nos clients sont satisfaits de la robustesse et de la fiabilité exceptionnelles des systèmes Hielscher Ultrasonic. L'installation dans des domaines d'application exigeants, des environnements exigeants et un fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 garantissent un traitement efficace et économique. L'intensification du processus par ultrasons réduit le temps de traitement et permet d'obtenir de meilleurs résultats, c'est-à-dire une meilleure qualité, des rendements plus élevés et des produits innovants.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators: