ייצור גרפן קולי

סינתזה קולית של גרפן באמצעות פילינג גרפיט היא השיטה האמינה והמועילה ביותר לייצור יריעות גרפן באיכות גבוהה בקנה מידה תעשייתי. Hielscher ביצועים גבוהים מעבדים קוליים ניתנים לשליטה מדויקת והוא יכול ליצור אמפליטודות גבוהות מאוד בפעולה 24/7. זה מאפשר להכין כמויות גדולות של גרפן טהור בצורה קלה וגודל נשלט.

הכנה קולית של גרפן

מאז המאפיינים יוצאי הדופן של גרפיט ידועים, פותחו מספר שיטות להכנתו. לצד ייצור כימי של גרפנים מתחמוצת גרפן בתהליכים רב שלביים, שעבורם נדרשים חומרי חמצון וחיזור חזקים מאוד. בנוסף, הגרפן שהוכן בתנאים כימיים קשים אלה מכיל לעתים קרובות כמות גדולה של פגמים גם לאחר הפחתה בהשוואה לגרפנים המתקבלים משיטות אחרות. עם זאת, אולטרסאונד הוא חלופה מוכחת לייצר גרפן באיכות גבוהה, גם בכמויות גדולות. חוקרים פיתחו דרכים שונות במקצת באמצעות אולטרסאונד, אך באופן כללי ייצור הגרפן הוא תהליך פשוט בן שלב אחד.

רצף מהיר (מ-a עד f) של פריימים הממחישים פילינג סונו-מכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200S, אולטרה-סאונד 200W עם סונוטרודה 3 מ"מ. חצים מראים את מקום הפיצול (פילינג) עם בועות קוויטציה החודרות לפיצול.
(מחקר ותמונות: © Tyurnina et al. 2020

היתרונות של פילינג גרפן קולי

אולטרסאונד וכורים מסוג Hielscher הופכים את פילינג הגרפן לתהליך יעיל ביותר המשמש לייצור גרפן מגרפיט באמצעות יישום גלי אולטרסאונד חזקים. טכניקה זו מציעה מספר יתרונות על פני שיטות אחרות של ייצור גרפן. היתרונות העיקריים של פילינג גרפן קולי הם כדלקמן:

• יעילות גבוהה: פילינג גרפן באמצעות אולטרסוניקציה מסוג בדיקה היא שיטה יעילה מאוד לייצור גרפן. זה יכול לייצר כמויות גדולות של גרפן באיכות גבוהה בפרק זמן קצר.
• עלות נמוכה: הציוד הנדרש לפילינג על-קולי בייצור גרפן תעשייתי זול יחסית לשיטות אחרות לייצור גרפן, כגון שקיעת אדים כימיים (CVD) ופילינג מכני.
• מדרגיות: פילינג גרפן באמצעות ultrasonicator ניתן בקנה מידה קל לייצור בקנה מידה גדול של גרפן. פילינג קולי ופיזור של גרפן יכול להיות מופעל אצווה כמו גם בתהליך מוטבע רציף. זה הופך אותו לאפשרות מעשית עבור יישומים בקנה מידה תעשייתי.
• שליטה על תכונות הגרפן: פילינג גרפן ודלמינציה באמצעות אולטרסאונד מסוג בדיקה מאפשר שליטה מדויקת על תכונות הגרפן המיוצר. זה כולל את גודלו, עוביו ומספר השכבות.
• השפעה מינימלית על הסביבה: פילינג גרפן באמצעות קולי מוכח היא שיטה ירוקה של ייצור גרפן, כפי שהוא יכול לשמש עם ממסים לא רעילים, שפירים מבחינה סביבתית כגון מים או אתנול. משמעות הדבר היא כי delamination גרפן קולי מאפשר למנוע או להפחית את השימוש של כימיקלים קשים או טמפרטורות גבוהות. זה הופך אותו לחלופה ידידותית לסביבה לשיטות ייצור גרפן אחרות.

בסך הכל, פילינג גרפן באמצעות אולטרסוניקטורים וכורים מסוג Hielscher Probe מציע שיטה חסכונית, ניתנת להרחבה וידידותית לסביבה של ייצור גרפן עם שליטה מדויקת על המאפיינים של החומר המתקבל.

דוגמה לייצור פשוט של גרפן באמצעות סוניקציה

גרפיט מתווסף בתערובת של חומצה אורגנית מדוללת, אלכוהול ומים, ולאחר מכן התערובת נחשפת לקרינה קולית. החומצה פועלת כ “טריז מולקולרי” המפריד יריעות גרפן מגרפיט האב. בתהליך פשוט זה נוצרת כמות גדולה של גרפן איכותי שלא ניזוק ומפוזר במים. (An et al. 2010)
 

פילינג ישיר של גרפן

אולטרסאונד מאפשר הכנת גרפנים בממסים אורגניים, חומרים פעילי שטח/תמיסות מים או נוזלים יוניים. משמעות הדבר היא כי ניתן להימנע משימוש בחומרים מחמצנים או מחזרים חזקים. Stankovich et al. (2007) הפיקו גרפן על ידי פילינג תחת ultrasonication.
תמונות AFM של תחמוצת גרפן שעברה פילינג על ידי הטיפול העל-קולי בריכוזים של 1 מ"ג/מ"ל במים חשפו תמיד נוכחות של יריעות בעובי אחיד (~1 ננומטר; דוגמה לכך מוצגת בתמונה למטה). דגימות פילינג היטב אלה של תחמוצת גרפן לא הכילו יריעות עבות או דקות יותר מ-1 ננומטר, מה שהוביל למסקנה כי קילוף מלא של תחמוצת גרפן עד ליריעות בודדות של תחמוצת גרפן אכן הושג בתנאים אלה. (סטנקוביץ' ואחרים, 2007)

תמונת AFM של יריעות GO מקולפות עם שלושה פרופילי גובה שנרכשו במקומות שונים
(תמונה ומחקר: ©Stankovich et al., 2007)

הכנת יריעות גרפן

סטנגל ועמיתיו הראו הכנה מוצלחת של יריעות גרפן טהורות בכמויות גדולות במהלך הייצור של ננו-קומפוזיט TiO2 גרפן לא סטויכיומטרי על ידי הידרוליזה תרמית של תרחיף עם ננו-יריעות גרפן ותרכובת טיטניה פרוקסו. ננו-יריעות הגרפן הטהורות הופקו מגרפיט טבעי באמצעות שדה קוויטציה בעוצמה גבוהה שנוצר על ידי מעבד קולי Hielscher UIP1000hd בכור קולי בלחץ של 5 בר. יריעות הגרפן המתקבלות, עם שטח פנים ספציפי גבוה ותכונות אלקטרוניות ייחודיות, יכולות לשמש כתמיכה טובה עבור TiO2 כדי לשפר את הפעילות הפוטוקטליטית. קבוצת המחקר טוענת כי איכות הגרפן המוכן באולטרסאונד גבוהה בהרבה מהגרפן המתקבל בשיטת האמר, שם גרפיט עובר קילוף וחמצון. מכיוון שניתן לשלוט במדויק בתנאים הפיזיים בכור העל-קולי ובהנחה שריכוז הגרפן כדופנט ישתנה בטווח של 1 – 0.001%, הייצור של גרפן במערכת רציפה בקנה מידה מסחרי מותקן בקלות. אולטרסאונד תעשייתי וכורים מוטבעים לקילוף יעיל של גרפן באיכות גבוהה זמינים.

הכנה על ידי טיפול קולי של תחמוצת גרפן

Oh et al. (2010) הראו מסלול הכנה באמצעות קרינה קולית כדי לייצר שכבות תחמוצת גרפן (GO). לכן, הם השעו עשרים וחמישה מיליגרם של אבקת תחמוצת גרפן ב 200 מ"ל של מים de-ionized. על ידי ערבוב הם השיגו השעיה חומה לא הומוגנית. המתלים שהתקבלו היו סוניים (30 דקות, 1.3 × 105J), ולאחר ייבוש (ב 373 K) תחמוצת גרפן שעבר טיפול אולטרה-סאונד הופק. ספקטרוסקופיית FTIR הראתה כי הטיפול האולטרסוני לא שינה את הקבוצות הפונקציונליות של תחמוצת הגרפן.

תמונת SEM של ננו-יריעות טהורות של גרפן המתקבלות על ידי אולטרסוניקציה (Oh et al., 2010)

פונקציונאליזציה של יריעות גרפן

Xu and Suslick (2011) מתארים שיטה נוחה בצעד אחד להכנת גרפיט פונקציונלי פוליסטירן. במחקר שלהם הם השתמשו בפתיתי גרפיט וסטירן כחומר גלם בסיסי. על ידי ניקוי פתיתי הגרפיט בסטירן (מונומר תגובתי), הקרנת האולטרסאונד הביאה לקילוף מכנוכימי של פתיתי גרפיט ליריעות גרפן חד-שכבתיות ומעטות. במקביל, הפונקציונליות של יריעות הגרפן עם שרשראות פוליסטירן הושגה.
אותו תהליך של פונקציונליזציה יכול להתבצע עם מונומרים ויניל אחרים עבור מרוכבים המבוססים על גרפן.

פיזור גרפן

דרגת הפיזור של גרפן ותחמוצת גרפן חשובה ביותר כדי לנצל את מלוא הפוטנציאל של גרפן עם המאפיינים הספציפיים שלו. אם גרפן אינו מפוזר בתנאים מבוקרים, הפיזור הפולי-פיזור של גרפן יכול להוביל להתנהגות בלתי צפויה או לא אידיאלית ברגע שהוא משולב בהתקנים מכיוון שתכונות הגרפן משתנות כפונקציה של הפרמטרים המבניים שלו. סוניקציה היא טיפול מוכח להחלשת הכוחות הבין-שכבתיים ומאפשרת בקרה מדויקת על פרמטרי העיבוד החשובים.
"עבור תחמוצת גרפן (GO), אשר בדרך כלל מתקלפת כיריעות חד-שכבתיות, אחד מאתגרי הפיזור העיקריים נובע משינויים באזור הצידי של הפתיתים. הוכח כי ניתן להזיז את הגודל הרוחבי הממוצע של GO מ-400 ננומטר ל-20 מיקרומטר על ידי שינוי חומר המוצא של הגרפיט ותנאי הסוניקציה". (גרין ואח' 2010)
הפיזור העל-קולי של גרפן המביא לתרחיפים עדינים ואפילו קולואידים הודגם במחקרים שונים אחרים. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) הראו כי על ידי שימוש באולטרסוניקציה מושגת פיזור גרפן יציב עם ריכוז גבוה של 1 מ"ג·מ"ל−1 ויריעות גרפן טהורות יחסית, ויריעות הגרפן כפי שהוכנו מציגות מוליכות חשמלית גבוהה של 712 S·m⁻¹. תוצאות בדיקת ספקטרום אינפרא אדום מותמר פורייה וספקטרום ראמאן הצביעו על כך שלשיטת ההכנה העל-קולית יש פחות נזק למבנים הכימיים והגבישיים של גרפן.

Ultrasonicators ביצועים גבוהים עבור פילינג גרפן

לייצור ננו-גיליונות גרפן באיכות גבוהה, נדרש ציוד קולי אמין בעל ביצועים גבוהים. משרעת, לחץ וטמפרטורה הם פרמטרים חיוניים, החיוניים לשחזור ואיכות מוצר עקבית. Hielscher Ultrasonics’ מעבדים קוליים הם מערכות חזקות וניתנות לשליטה מדויקת, המאפשרות הגדרה מדויקת של פרמטרים בתהליך ופלט אולטרסאונד רציף בהספק גבוה. Hielscher Ultrasonics מעבדים קוליים תעשייתיים יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. אמפליטודות של עד 200μm ניתנות להפעלה רציפה בקלות בפעולה 24/7. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים. החוסן של הציוד הקולי של Hielscher מאפשר פעולה 24/7 בחובה כבדה ובסביבות תובעניות.
הלקוחות שלנו מרוצים על ידי חוסן יוצא דופן ואמינות של מערכות Hielscher Ultrasonics. ההתקנה בתחומי יישומים כבדים, סביבות תובעניות ותפעול 24/7 מבטיחים עיבוד יעיל וחסכוני. העצמת תהליכים אולטראסוניים מפחיתה את זמן העיבוד ומשיגה תוצאות טובות יותר, כלומר איכות גבוהה יותר, תפוקות גבוהות יותר, מוצרים חדשניים.
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:

הכנת ננו-מגילות פחמן

ננו-מגילות פחמן דומות לננו-צינוריות פחמן מרובות דפנות. ההבדל ל- MWCNTs הוא הקצוות הפתוחים והנגישות המלאה של המשטחים הפנימיים למולקולות אחרות. הם יכולים להיות מסונתז רטוב כימית על ידי intercalating גרפיט עם אשלגן, פילינג במים סוניקציה של ההשעיה קולואידית. (ראה: Viculis et al. 2003) האולטרה-סוניקציה מסייעת לגלילה למעלה של חד-שכבות הגרפן לננו-מגילות פחמן (ראו גרף למטה). הושגה יעילות המרה גבוהה של 80%, מה שהופך את הייצור של nanoscrolls מעניין עבור יישומים מסחריים.

סינתזה על-קולית של ננו-מגילות פחמן (Viculis et al. 2003)

הכנת ננו-סרטים

קבוצת המחקר של Hongjie Dai ועמיתיו מאוניברסיטת סטנפורד מצאה טכניקה להכנת ננו-סרטים. סרטי גרפן הם רצועות דקות של גרפן שעשויות להיות בעלות מאפיינים שימושיים אף יותר מיריעות גרפן. ברוחב של כ-10 ננומטר או פחות, התנהגות סרטי הגרפן דומה למוליך למחצה כאשר אלקטרונים נאלצים לנוע לאורך. לכן, זה יכול להיות מעניין להשתמש בננו-סרטים עם פונקציות דמויות מוליכים למחצה באלקטרוניקה (למשל עבור שבבי מחשב קטנים ומהירים יותר).
Dai et al. הכנת ננו-סרטים של גרפן מבוססת על שני שלבים: ראשית, הם שחררו את שכבות הגרפן מגרפיט על ידי טיפול בחום של 1000 מעלות צלזיוס למשך דקה אחת במימן 3% בגז ארגון. לאחר מכן, הגרפן היה מפורק לרצועות באמצעות ultrasonication. הננו-סרטים המתקבלים בטכניקה זו מאופיינים בהרבה "חלקים"’ קצוות מאלה שנעשו באמצעים ליתוגרפיים קונבנציונליים. (ג'יאו ואחרים 2009)