Exfoliation du graphène en milieu aqueux
L’exfoliation par ultrasons permet de produire du graphène à quelques couches sans recourir à des solvants agressifs, en utilisant uniquement de l’eau pure. La sonication de haute puissance délamine les feuillets de graphène en un temps de traitement court. L’absence de solvants fait de l’exfoliation du graphène un procédé écologique et durable.
Production de graphène par exfoliation en phase liquide
Le graphène est fabriqué commercialement par ce que l’on appelle l’exfoliation en phase liquide. L’exfoliation du graphène en phase liquide nécessite l’utilisation de solvants toxiques, nocifs pour l’environnement et coûteux, qui sont employés comme prétraitement chimique ou en combinaison avec une technique de dispersion mécanique. Pour la dispersion mécanique des feuillets de graphène, l’ultrasonication s’est imposée comme une technique très fiable, efficace et sûre permettant de produire des feuillets de graphène de haute qualité en grandes quantités à une échelle pleinement industrielle. Comme l’utilisation de solvants agressifs s’accompagne toujours de coûts, de contamination, d’une élimination et d’un traitement des déchets complexes, de problèmes de sécurité ainsi que d’une charge environnementale, une alternative non toxique et plus sûre présente un avantage considérable. L’exfoliation du graphène utilisant l’eau comme solvant et les ultrasons de puissance pour la délamination mécanique de feuillets de graphène à quelques couches est donc une technique très prometteuse pour une fabrication écologique du graphène.
Les solvants courants, souvent utilisés comme phase liquide pour disperser les nanofeuillets de graphène, comprennent le diméthylsulfoxyde (DMSO), le N,N-diméthylformamide (DMF), la N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP), la tétraméthylurée (TMU), le tétrahydrofurane (THF), le carbonate de propylèneacétone (PC), l’éthanol et le formamide.
Technique déjà établie de longue date pour l’exfoliation du graphène à l’échelle commerciale, l’ultrasonication permet de produire à faible coût du graphène de haute qualité et de grande pureté. Comme l’exfoliation du graphène par ultrasons peut être mise à l’échelle de façon entièrement linéaire pour n’importe quel volume, le rendement de production de paillettes de graphène de haute qualité peut être facilement mis en œuvre pour la production de masse de graphène.
L’UIP2000hdT est un disperseur à ultrasons puissant de 2kW pour l’exfoliation et la dispersion du graphène.
Exfoliation du graphène par ultrasons dans l’eau
Tyurnina et al. (2020) ont étudié les effets de l’amplitude et de l’intensité de sonication sur des solutions eau-graphite pures et sur l’exfoliation du graphène qui en résulte. Dans cette étude, ils ont utilisé un Hielscher UP200S (200W, 24kHz). L’exfoliation par ultrasons dans l’eau a été appliquée comme procédé en une seule étape pour la délamination de graphène à quelques couches. Un traitement court de 2h a suffi pour produire du graphène à quelques couches dans un dispositif de sonication en bécher ouvert.
Une séquence d’images à grande vitesse (de a à f) illustrant l’exfoliation sono-mécanique d’une paillette de graphite dans l’eau à l’aide du modèle UP200s, un ultrasonicateur de 24 kHz équipé d’une sonotrode de 3-mm. Les flèches indiquent l’endroit de la séparation (exfoliation), avec des bulles de cavitation pénétrant dans la fente.
© Tyurnina et al., 2020
Optimisation de l’exfoliation du graphène par ultrasons
Le dispositif ultrasonore utilisé par Tyurnina et al. (2020) peut être facilement optimisé pour gagner en efficacité et accélérer l’exfoliation en utilisant un réacteur à ultrasons fermé en mode à circulation. Le traitement ultrasonore en ligne permet un traitement nettement plus uniforme de l’ensemble de la matière première de graphite : en introduisant la solution graphite / eau directement dans l’espace confiné de la cavitation ultrasonore, tout le graphite est soniqué de manière uniforme, ce qui donne un rendement élevé en paillettes de graphène de haute qualité.
Les systèmes Hielscher Ultrasonics permettent un contrôle précis de tous les paramètres de traitement importants tels que l’amplitude, la durée / le temps de séjour, l’apport d’énergie (Ws/mL), la pression et la température. Le réglage des paramètres ultrasonores optimaux permet d’obtenir le rendement, la qualité et l’efficacité globale les plus élevés.
Comment l’ultrasonication favorise-t-elle l’exfoliation du graphène ?
Lorsque des ondes ultrasonores de haute puissance sont couplées dans une suspension de poudre de graphite et d’eau ou de tout autre solvant, des forces sonomécaniques telles que le cisaillement élevé, d’intenses turbulences et de fortes différences de pression et de température créent des conditions à haute densité énergétique. Ces conditions à haute densité énergétique résultent du phénomène de cavitation acoustique.
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Les ultrasons de puissance déclenchent l’expansion de la poudre de graphite, car des fluides sont pressés entre les couches de graphène dont le graphite est composé. Les forces de cisaillement ultrasonores délaminent les feuillets individuels de graphène et les dispersent sous forme de paillettes de graphène dans la solution. Pour obtenir une stabilité à long terme du graphène dans l’eau, un tensioactif est nécessaire.
Mécanisme de l’exfoliation du graphène en phase liquide par ultrasons.
Étude et image de Tyurnina et al., 2021.
Ultrasonicateurs haute performance pour l’exfoliation du graphène
Les fonctions intelligentes des ultrasonicateurs Hielscher sont conçues pour garantir un fonctionnement fiable, des résultats reproductibles et une grande facilité d’utilisation. Les paramètres de fonctionnement sont facilement accessibles et réglables via un menu intuitif, accessible depuis l’écran tactile couleur numérique et la commande à distance par navigateur. Ainsi, toutes les conditions de traitement telles que l’énergie nette, l’énergie totale, l’amplitude, la durée, la pression et la température sont automatiquement enregistrées sur une carte SD intégrée. Cela vous permet de réexaminer et de comparer les cycles de sonication précédents et d’optimiser le procédé d’exfoliation du graphène pour une efficacité maximale.
Les systèmes Hielscher Ultrasonics sont utilisés dans le monde entier pour la fabrication de feuillets de graphène et d’oxydes de graphène de haute qualité. Les ultrasonicateurs industriels Hielscher peuvent facilement fonctionner à des amplitudes élevées en fonctionnement continu (24/7/365). Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent être facilement générées en continu avec des sonotrodes standard (sondes / cornes ultrasonores et CascatrodesTM). Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasonores personnalisées sont disponibles. Grâce à leur robustesse et à leur faible besoin de maintenance, nos systèmes d’exfoliation par ultrasons sont couramment installés pour des applications intensives et dans des environnements exigeants.
Les processeurs à ultrasons Hielscher pour l’exfoliation du graphène sont déjà installés dans le monde entier à l’échelle commerciale. Contactez-nous dès maintenant pour discuter de votre procédé de fabrication de graphène ! Notre personnel expérimenté se fera un plaisir de vous fournir plus d’informations sur le procédé d’exfoliation, les systèmes à ultrasons et les tarifs !
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- Production de graphène
- Nanoplaquettes de graphène
- Exfoliation du graphène en milieu aqueux
- Graphène dispersible dans l’eau
- Oxyde de graphène
- Xènes
| Volume du lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 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 | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | plus grand | cluster de UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons haute performance pour les applications de mélange, la dispersion, l’émulsification et l’extraction à l’échelle du laboratoire, pilote et industrielle.
Bibliographie / Références
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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. 737-747.
(Available under a Creative Commons Attribution 4.0: CC BY-NC-ND 4.0. See full terms here.) - Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- 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.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Štengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
Informations utiles
Qu’est-ce que le graphène ?
Le graphène est une monocouche d’atomes de carbone à liaisons sp2. Le graphène offre des caractéristiques uniques telles qu’une surface spécifique extraordinairement grande (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 électronique 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 supérieures, le graphène est largement utilisé dans le développement et la production de batteries haute performance, de piles à combustible, de cellules solaires, de supercondensateurs, de systèmes de stockage de l’hydrogène, de blindages électromagnétiques et d’appareils électroniques. En outre, le graphène est incorporé dans de nombreux nanocomposites et matériaux composites comme additif de renforcement, par exemple dans des polymères, des céramiques et des matrices métalliques. En raison de sa conductivité élevée, le graphène est un composant important des peintures et 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 d’industries.
Le graphène est une couche de carbone d’un atome d’épaisseur, qui peut être décrite comme une structure monocouche ou 2D de graphène (graphène monocouche = SLG). Le graphène possède une surface spécifique extraordinairement grande et des propriétés mécaniques supérieures (module de Young de 1 TPa et résistance intrinsèque de 130 GPa), offre une excellente conductivité électronique et thermique, une grande mobilité des porteurs de charge, de la transparence, et il est imperméable aux gaz. En raison de ces caractéristiques, le graphène est utilisé comme additif de renforcement pour conférer aux composites leur résistance, leur conductivité, etc. Afin de combiner les caractéristiques du graphène avec d’autres matériaux, le graphène doit être dispersé dans le composé ou être appliqué sous forme de revêtement en couche mince sur un substrat.
Des ultrasons haute performance ! La gamme de produits de Hielscher couvre l’ensemble du spectre, de l’ultrasonicateur de laboratoire compact aux systèmes ultrasonores pleinement industriels, en passant par les appareils de paillasse.