ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ – અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન અને વિક્ષેપન

ગ્રેફાઇટ ઑક્સાઇડને પાતળી, એક અથવા થોડાં સ્તરોવાળી ગ્રાફીન શીટોમાં વિભાજિત કરીને ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ ઉત્પન્ન કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતી તકનીક છે. Hielscher સોનિકેટરો તીવ્ર ધ્વનિક કેવિટેશન સર્જે છે, જેમાં ઊર્જા-સઘન અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો પ્રવાહી માધ્યમમાં ઉચ્ચ ઊર્જાવાળા સૂક્ષ્મ પરપોટા ઉત્પન્ન કરે છે. આ તૂટી પડતા પરપોટા કતરણ બળો સર્જે છે, જે ગ્રેફાઇટ ઑક્સાઇડનાં સ્તરોને અલગ પાડીને અસરકારક રીતે તેમનું ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ નેનોશીટોમાં એક્સફોલિએશન કરે છે. તમારી ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ આધારિત ઉપયોગપ્રણાલીને આગલા સ્તરે લઈ જવા માટે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળી અલ્ટ્રાસોનિક તકનીકનો લાભ લો!

ગ્રાફીન ઑક્સાઇડનું અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન

ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ પાણીમાં દ્રાવ્ય, ઉભયસ્નેહી, બિનઝેરી અને જૈવવિઘટનીય છે તથા તેને સરળતાથી સ્થિર કલિલોમાં વિક્ષેપિત કરી શકાય છે. ઔદ્યોગિક સ્તરે ગ્રાફીન ઑક્સાઇડનું સંશ્લેષણ, વિક્ષેપન અને કાર્યાત્મકકરણ કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન અને વિક્ષેપન અત્યંત કાર્યક્ષમ, ઝડપી અને ખર્ચ-અસરકારક પદ્ધતિ છે. અનુવર્તી પ્રક્રિયાઓમાં અલ્ટ્રાસોનિક ડિસ્પર્સરો ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ-પોલિમર સંયુક્ત પદાર્થો ઉત્પન્ન કરે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશનના ફાયદા

અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન સરળતા, ઉત્પાદનનું પ્રમાણ વધારવાની ક્ષમતા અને પર્યાવરણને અનુકૂળતા સહિત અનેક ફાયદા આપે છે, કારણ કે તેમાં સામાન્ય રીતે તીવ્ર રસાયણો અથવા જટિલ પ્રક્રિયાઓની જરૂર પડતી નથી. વધુમાં, તે ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ નેનોશીટોના કદ અને જાડાઈ પર ચોક્કસ નિયંત્રણ શક્ય બનાવે છે, જે વિવિધ ઉપયોગો માટે તેમના ગુણધર્મોને અનુકૂળ બનાવવા માટે નિર્ણાયક છે.

આ વિડિયોમાં અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજેનાઇઝર (UP400St, Hielscher Ultrasonics) વડે 250mL ઇપોક્સી રેઝિન (Toolcraft L)માં ગ્રેફાઇટનું અલ્ટ્રાસોનિક મિશ્રણ અને વિખેરણ દર્શાવ્યું છે. Hielscher Ultrasonics પ્રયોગશાળામાં અથવા મોટા પાયાની ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓમાં ગ્રેફાઇટ, ગ્રેફીન, કાર્બન નેનોટ્યુબ, નેનોવાયર અથવા પૂરકોનું વિખેરણ કરવા માટેનાં સાધનો બનાવે છે. કાર્યાત્મક સમૂહોના સંયોજનની પ્રક્રિયા દરમિયાન નેનોસામગ્રી અને સૂક્ષ્મસામગ્રીનું વિખેરણ કરવું અથવા તેમને રેઝિન કે પોલિમરમાં વિખેરવી એ તેના સામાન્ય ઉપયોગો છે.

પ્રોટોકોલ: ગ્રાફીન ઑક્સાઇડનું અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન

ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ (GO) નેનોશીટોના કદને નિયંત્રિત કરવામાં એક્સફોલિએશન પદ્ધતિ મુખ્ય ભૂમિકા ભજવે છે. પ્રક્રિયાનાં પરિમાણોને ચોકસાઈથી નિયંત્રિત કરી શકાતા હોવાથી, ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા ગ્રાફીન અને ગ્રાફીન ઑક્સાઇડના ઉત્પાદન માટે અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન સૌથી વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાતી સ્તરપૃથક્કરણ તકનીક છે.
ગ્રેફાઇટ ઑક્સાઇડમાંથી ગ્રાફીન ઑક્સાઇડના અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન માટે વિવિધ પ્રોટોકોલ ઉપલબ્ધ છે. ગ્રાફીન ઑક્સાઇડના અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન માટેનો એક ઉદાહરણરૂપ પ્રોટોકોલ નીચે આપેલો છે:
ગ્રેફાઇટ ઑક્સાઇડ પાઉડરને pH મૂલ્ય 10 ધરાવતા જલીય KOHમાં મિશ્રિત કરવામાં આવે છે. એક્સફોલિએશન અને ત્યાર પછીના વિક્ષેપન માટે પ્રોબ પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટર UP200St (200W)નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ, કાલપ્રભાવન પ્રક્રિયા પ્રેરિત કરવા માટે ગ્રાફીનના આધારતલ પર K+ આયનો જોડવામાં આવે છે. રોટરી બાષ્પીભવન હેઠળ કાલપ્રભાવન કરવામાં આવે છે (2 h). વધારાના K+ આયનો દૂર કરવા માટે પાઉડરને ઘણી વખત ધોઈને અપકેન્દ્રિત કરવામાં આવે છે.
મેળવેલા મિશ્રણને અપકેન્દ્રિત કરીને હિમીકરણ-શુષ્કન કરવામાં આવે છે, જેથી વિક્ષેપિત કરી શકાય તેવો ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ પાઉડર અવક્ષેપિત થાય છે.
વાહક ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ પેસ્ટની તૈયારી: વાહક પેસ્ટ ઉત્પન્ન કરવા માટે ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ પાઉડરને સોનિકેશન હેઠળ ડાઇમિથાઇલફોર્મામાઇડ (DMF)માં વિક્ષેપિત કરી શકાય છે. (Han et al.2014)

ગ્રાફીન નેનોશીટો અને ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ ઉત્પન્ન કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશનનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. Hielscher કંપનીની અલ્ટ્રાસોનિક પ્રણાલીઓ ગ્રાફીનના સંશ્લેષણ માટે અત્યંત કાર્યક્ષમ, ખર્ચ-અસરકારક અને ઝડપી તકનીક તરીકે પોતાની ઉપયોગિતા સિદ્ધ કરે છે; તેમનો ઉપયોગ મોટા સ્લરી પ્રવાહો માટે અને ગ્રાફીનના મોટા પાયે ઉત્પાદન માટે થાય છે.
ચિત્રનો સ્ત્રોત: Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): ગ્રાફીન આધારિત પોલિમર નેનોકમ્પોઝિટ્સ. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.

ગ્રાફીન ઑક્સાઇડના અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશનની ક્રિયાપદ્ધતિ
(ચિત્ર: Potts et al. 2011)

ગ્રાફીન ઑક્સાઇડનું અલ્ટ્રાસોનિક કાર્યાત્મકકરણ

પોલિમરો અને સંયુક્ત પદાર્થોમાં ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ (GO)નો સમાવેશ કરવા માટે સોનિકેશનનો સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.
ઉદાહરણો:

ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ-TiO2 સૂક્ષ્મગોળક સંયુક્ત પદાર્થ
પોલિસ્ટાયરીન-મેગ્નેટાઇટ-ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ સંયુક્ત પદાર્થ (કેન્દ્ર–આવરણ સંરચનાવાળો)
પોલિસ્ટાયરીન-અપચયિત ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ સંયુક્ત પદાર્થો
પોલિએનિલિન નેનોફાઇબરનું આવરણ ધરાવતો પોલિસ્ટાયરીન/ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ (PANI-PS/GO) કેન્દ્ર–આવરણ સંયુક્ત પદાર્થ
સ્તરોની વચ્ચે પોલિસ્ટાયરીન દાખલ કરેલું ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ
p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene વડે સંશોધિત ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ

અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન દ્વારા ઉત્પન્ન કરેલા ગ્રાફીન ઑક્સાઇડના ઉપયોગો

અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન દ્વારા ઉત્પન્ન કરેલું ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ વિવિધ ક્ષેત્રોમાં વ્યાપક ઉપયોગો ધરાવે છે. ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં તેનો ઉપયોગ લવચીક વાહક ફિલ્મો અને સેન્સરોમાં થાય છે; ઊર્જા સંગ્રહમાં તે બેટરીઓ અને સુપરકેપેસિટરોની કાર્યક્ષમતા વધારે છે. ગ્રાફીન ઑક્સાઇડના જીવાણુરોધી ગુણધર્મો તેને જૈવતબીબી ઉપયોગોમાં મૂલ્યવાન બનાવે છે, જ્યારે તેનું ઊંચું સપાટી ક્ષેત્રફળ અને કાર્યાત્મક સમૂહો ઉદ્દીપન તથા પર્યાવરણીય દૂષણનિવારણમાં લાભદાયક છે. એકંદરે, અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન અત્યાધુનિક તકનીકોમાં ઉપયોગ માટે ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા ગ્રાફીન ઑક્સાઇડનું કાર્યક્ષમ ઉત્પાદન સરળ બનાવે છે.

ઊંચી શક્તિવાળા પ્રોબ પ્રકારના સોનિકેટરો સાથે અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન વડે ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળું એકસ્તરીય ગ્રાફીન કેવી રીતે બનાવવું તે શીખો. ઊંચી ઉપજ અને ઉત્તમ પત્રક ગુણવત્તાવાળા ગ્રાફીન વિક્ષેપો બનાવવા માટે સોનિકેશન સરળ, કાર્યક્ષમ અને ઉત્પાદનનું પ્રમાણ વધારી શકાય તેવી પદ્ધતિ છે.

ગ્રાફીન અને ગ્રાફીન ઑક્સાઇડની પ્રક્રિયા માટે સોનિકેટરો

Hielscher Ultrasonics ગ્રાફીન અને ગ્રાફીન ઑક્સાઇડનું એક્સફોલિએશન, વિક્ષેપન અને પ્રક્રિયાકરણ કરવા માટે ઉચ્ચ શક્તિવાળી અલ્ટ્રાસોનિક પ્રણાલીઓ પ્રદાન કરે છે. વિશ્વસનીય અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો અને અદ્યતન રિએક્ટરો ચોક્કસ નિયંત્રણ આપે છે, જેથી અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયાઓને ઇચ્છિત લક્ષ્યો અનુસાર ગોઠવી શકાય છે.
એક નિર્ણાયક પરિમાણ અલ્ટ્રાસોનિક કંપવિસ્તાર છે, જે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબનું કંપનજન્ય વિસ્તરણ અને સંકોચન નક્કી કરે છે. Hielscher કંપનીનાં ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિકેટરો 200µm સુધીના ઊંચા કંપવિસ્તારો પ્રદાન કરે છે અને 24/7 કામગીરીમાં સતત ચાલે છે. તેનાથી પણ ઊંચા કંપવિસ્તારો માટે જરૂરિયાત મુજબ બનાવેલા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ ઉપલબ્ધ છે. તમામ પ્રોસેસરોને પ્રક્રિયાની પરિસ્થિતિઓ અનુસાર ચોકસાઈથી ગોઠવી શકાય છે અને તેમાં સમાવિષ્ટ સૉફ્ટવેર દ્વારા તેમનું નિરીક્ષણ કરી શકાય છે, જેથી વિશ્વસનીયતા, સાતત્યપૂર્ણ ગુણવત્તા અને પુનરુત્પાદનીય પરિણામો સુનિશ્ચિત થાય છે.
Hielscher સોનિકેટરો મજબૂત છે અને કઠિન ઔદ્યોગિક કાર્યપરિસ્થિતિઓમાં સતત કાર્ય કરી શકે છે, જેના કારણે મોટા પાયે ગ્રાફીન, ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ અને ગ્રેફાઇટિક પદાર્થોની તૈયારી માટે સોનિકેશન પસંદગીની ઉત્પાદન તકનીક બને છે.
વિવિધ કદ અને ભૌમિતિક આકારો ધરાવતા સોનોટ્રોડ અને રિએક્ટરો સહિત અલ્ટ્રાસોનિકેટરો તથા સહાયક સાધનોની વિશાળ ઉત્પાદનશ્રેણી સર્વોચ્ચ ગુણવત્તા હાંસલ કરવા માટે શ્રેષ્ઠ અભિક્રિયા પરિસ્થિતિઓ અને પરિબળો પસંદ કરવાની સુવિધા આપે છે, જેમ કે અભિકારકો, અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જા નિવેશ, દબાણ, તાપમાન અને પ્રવાહ દર. Hielscher કંપનીના અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરોમાં કેટલાક સો barg સુધીનું દબાણ પણ ઊભું કરી શકાય છે, જેથી 2,50,000 centipoise કરતાં વધુ શ્યાનતા ધરાવતી અત્યંત શ્યાન પેસ્ટોનું સોનિકેશન શક્ય બને છે.
આ પરિબળોને કારણે અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરપૃથક્કરણ અને એક્સફોલિએશન પરંપરાગત તકનીકો કરતાં ચડિયાતાં છે.

અલ્ટ્રાસોનિક ગ્રાફીન સંશ્લેષણ, વિક્ષેપન અને કાર્યાત્મકકરણ વિશે વધુ જાણવા માટે કૃપા કરીને અહીં ક્લિક કરો:

જાણવા યોગ્ય હકીકતો

અલ્ટ્રાસાઉન્ડ અને કેવિટેશન: સોનિકેશનનો ઉપયોગ કરીને ગ્રેફાઇટનું ગ્રાફીન ઑક્સાઇડમાં એક્સફોલિએશન કેવી રીતે કરવામાં આવે છે?

ગ્રેફાઇટ ઑક્સાઇડ (GrO)નું અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન ધ્વનિક કેવિટેશનથી પ્રેરિત ઉચ્ચ કતરણ બળ પર આધારિત છે. પ્રવાહીમાં શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગોના ઊર્જા યુગ્મનથી ઉત્પન્ન થતા એકાંતરે આવતા ઊંચા દબાણ / નીચા દબાણના ચક્રોને કારણે ધ્વનિક કેવિટેશન ઉદ્ભવે છે. નીચા દબાણના ચક્રો દરમિયાન અત્યંત નાનાં પોલાણો અથવા શૂન્યાવકાશી પરપોટા ઉત્પન્ન થાય છે, જે એકાંતરે આવતા નીચા દબાણના ચક્રો દરમિયાન વધે છે. શૂન્યાવકાશી પરપોટા એવા કદે પહોંચે કે તેઓ વધુ ઊર્જા શોષી ન શકે, ત્યારે ઊંચા દબાણના ચક્ર દરમિયાન તેઓ પ્રચંડ રીતે તૂટી પડે છે. પરપોટાના અંતઃસ્ફોટથી કેવિટેશનજન્ય કતરણ બળો અને પ્રતિબળ તરંગો સર્જાય છે, તેમજ અત્યંત ઊંચું તાપમાન 6000K સુધી અને અત્યંત ઊંચા શીતલન દર 10¹⁰K/sથી વધુ થાય છે; સાથે અત્યંત ઊંચાં દબાણો 2000atm સુધી પહોંચે છે, દબાણમાં અત્યંત મોટા તફાવતો સર્જાય છે તથા 1000km/h (∼280m/s) સુધીની ઝડપવાળી પ્રવાહી જેટધારાઓ ઉત્પન્ન થાય છે.
આ તીવ્ર બળો ગ્રેફાઇટના સ્તરપુંજો પર અસર કરે છે, જેનું સ્તરપૃથક્કરણ થઈને એક અથવા થોડાં સ્તરોવાળું ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ અને અસંશોધિત ગ્રાફીન નેનોશીટો બને છે.

ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ શું છે?

ગ્રેફાઇટ ઑક્સાઇડ (GrO)નું એક્સફોલિએશન કરીને ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ (GO)નું સંશ્લેષણ કરવામાં આવે છે. ગ્રેફાઇટ ઑક્સાઇડ એ ગ્રાફીનનાં લાખો સ્તરો ધરાવતો 3D પદાર્થ છે, જેના સ્તરોની વચ્ચે ઑક્સિજન દાખલ થયેલો હોય છે, જ્યારે ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ એક અથવા થોડાં સ્તરોવાળું ગ્રાફીન છે, જેની બંને બાજુએ ઑક્સિજન જોડાયેલો હોય છે.
ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ અને ગ્રાફીન નીચેના ગુણધર્મોમાં એકબીજાથી અલગ પડે છે: ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ ધ્રુવીય છે, જ્યારે ગ્રાફીન અધ્રુવીય છે. ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ જલસ્નેહી છે, જ્યારે ગ્રાફીન જલવિરોધી છે.
આનો અર્થ એ છે કે ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ પાણીમાં દ્રાવ્ય, ઉભયસ્નેહી, બિનઝેરી અને જૈવવિઘટનીય છે તથા સ્થિર કલિલીય નિલંબનો બનાવે છે. ગ્રાફીન ઑક્સાઇડની સપાટી પર ઇપૉક્સી, હાઇડ્રૉક્સિલ અને કાર્બૉક્સિલ સમૂહો હોય છે, જે ધનાયનો અને ઋણાયનો સાથે આંતરક્રિયા કરવા માટે ઉપલબ્ધ હોય છે. તેમની અનોખી કાર્બનિક–અકાર્બનિક સંકર સંરચના અને અસાધારણ ગુણધર્મોને કારણે GO–પોલિમર સંયુક્ત પદાર્થો વિવિધ ઔદ્યોગિક ઉપયોગો માટે ઊંચી સંભાવના ધરાવે છે. (Tolasz et al. 2014)

અપચયિત ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ શું છે?

ગ્રાફીન ઑક્સાઇડના અલ્ટ્રાસોનિક, રાસાયણિક અથવા ઉષ્મીય અપચય દ્વારા અપચયિત ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ (rGO) ઉત્પન્ન કરવામાં આવે છે. અપચયના તબક્કા દરમિયાન ગ્રાફીન ઑક્સાઇડના મોટાભાગના ઑક્સિજનયુક્ત કાર્યાત્મક સમૂહો દૂર કરવામાં આવે છે, જેથી પરિણામી અપચયિત ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ (rGO)ના ગુણધર્મો અસંશોધિત ગ્રાફીન જેવા જ હોય છે. જોકે, અપચયિત ગ્રાફીન ઑક્સાઇડ (rGO) શુદ્ધ ગ્રાફીનની જેમ ખામીરહિત અને અસંશોધિત હોતું નથી.

સાહિત્ય/સંદર્ભો

FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
Gouvea R.A., Konrath Jr L.G., Cava S., Carreno N.L.V., Goncalves M.R.F. (2011): Synthesis of nanometric graphene oxide and its effects when added in MgAl₂O₄ ceramic. 10th SPBMat Brazil.
Kamisan A.I., Zainuddin L.W., Kamisan A.S., Kudin T.I.T., Hassan O.H., Abdul Halim N., Yahya M.Z.A. (2016): Ultrasonic Assisted Synthesis of Reduced Graphene Oxide in Glucose Solution. Key Engineering Materials Vol. 708, 2016. 25-29.
Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Štengl, V. (2012): Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor. Chemistry – A European Journal 18(44), 2012. 14047-14054.
Tolasz J., Štengl V., Ecorchard P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology IPCBEE vol.78, 2014.
Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.