ग्राफीन ऑक्साइड – अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन और परिक्षेपण

अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन, ग्रेफाइट ऑक्साइड को पतली, एकल या कुछ परतों वाली ग्राफीन शीटों में विभाजित करके ग्राफीन ऑक्साइड बनाने की एक व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली तकनीक है। Hielscher सोनिकेटर तीव्र ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न करते हैं, जिसमें ऊर्जा-सघन अल्ट्रासोनिक तरंगें द्रव माध्यम में उच्च ऊर्जा वाले सूक्ष्म बुलबुले बनाती हैं। ढहते हुए ये बुलबुले अपरूपण बल उत्पन्न करते हैं, जो ग्रेफाइट ऑक्साइड की परतों को अलग करते हैं और प्रभावी रूप से उनका एक्सफोलिएशन करके ग्राफीन ऑक्साइड नैनोशीट बनाते हैं। अपने ग्राफीन ऑक्साइड आधारित अनुप्रयोग को अगले स्तर तक पहुँचाने के लिए उच्च प्रदर्शन वाली अल्ट्रासोनिक तकनीक का लाभ उठाएँ!

ग्राफीन ऑक्साइड का अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन

ग्राफीन ऑक्साइड जल में घुलनशील, उभयरागी, गैर-विषैला और जैवअपघटनीय होता है तथा इसे आसानी से परिक्षेपित करके स्थिर कोलॉइड बनाए जा सकते हैं। अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन और परिक्षेपण, औद्योगिक पैमाने पर ग्राफीन ऑक्साइड के संश्लेषण, परिक्षेपण और प्रकार्यात्मककरण की एक अत्यंत कुशल, तेज़ और किफ़ायती विधि है। आगे के प्रसंस्करण में, अल्ट्रासोनिक परिक्षेपक उच्च प्रदर्शन वाले ग्राफीन ऑक्साइड-पॉलिमर कंपोज़िट बनाते हैं।

अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन के लाभ

अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन के कई लाभ हैं, जिनमें सरलता, पैमाना बढ़ाने की क्षमता और पर्यावरण अनुकूलता शामिल हैं, क्योंकि इसमें आम तौर पर कठोर रसायनों या जटिल प्रसंस्करण की आवश्यकता नहीं होती। इसके अतिरिक्त, यह ग्राफीन ऑक्साइड नैनोशीटों के आकार और मोटाई पर सटीक नियंत्रण संभव बनाता है, जो विभिन्न अनुप्रयोगों में उनके गुणों को समायोजित करने के लिए अत्यंत आवश्यक है।

यह वीडियो अल्ट्रासोनिक समांगीकारक (UP400St, Hielscher Ultrasonics) से 250mL एपॉक्सी रेज़िन (Toolcraft L) में ग्रेफाइट का अल्ट्रासोनिक मिश्रण और परिक्षेपण दर्शाता है। Hielscher Ultrasonics प्रयोगशाला या बड़े पैमाने की उत्पादन प्रक्रियाओं में ग्रेफाइट, ग्राफीन, कार्बन नैनोट्यूब, नैनोतारों या भरावों के परिक्षेपण के लिए उपकरण बनाता है। सामान्य अनुप्रयोगों में प्रकार्यात्मककरण प्रक्रिया के दौरान नैनोसामग्रियों और सूक्ष्मसामग्रियों का परिक्षेपण तथा रेज़िन या बहुलकों में उनका परिक्षेपण शामिल है।

प्रोटोकॉल: ग्राफीन ऑक्साइड का अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन

ग्राफीन ऑक्साइड (GO) नैनोशीटों के आकार को नियंत्रित करने में एक्सफोलिएशन विधि की प्रमुख भूमिका होती है। इसके प्रक्रिया मापदंडों को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, इसलिए उच्च गुणवत्ता वाले ग्राफीन और ग्राफीन ऑक्साइड के उत्पादन के लिए अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की जाने वाली परत-पृथक्करण तकनीक है।
ग्रेफाइट ऑक्साइड से ग्राफीन ऑक्साइड के अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन के लिए विभिन्न प्रोटोकॉल उपलब्ध हैं। नीचे ग्राफीन ऑक्साइड के अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन का एक उदाहरणात्मक प्रोटोकॉल दिया गया है:
ग्रेफाइट ऑक्साइड पाउडर को pH मान 10 वाले जलीय KOH में मिलाया जाता है। एक्सफोलिएशन और उसके बाद परिक्षेपण के लिए प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर UP200St (200W) का उपयोग किया जाता है। इसके बाद, एजिंग प्रक्रिया शुरू करने के लिए K+ आयनों को ग्राफीन के आधार तल से जोड़ा जाता है। एजिंग घूर्णी वाष्पीकरण (2 h) के दौरान की जाती है। अतिरिक्त K+ आयनों को हटाने के लिए पाउडर को कई बार धोया जाता है और अपकेंद्रित किया जाता है।
प्राप्त मिश्रण को अपकेंद्रित किया जाता है और हिम-शुष्कन किया जाता है, जिससे परिक्षेपण योग्य ग्राफीन ऑक्साइड पाउडर अवक्षेपित होता है।
विद्युत-चालक ग्राफीन ऑक्साइड पेस्ट की तैयारी: विद्युत-चालक पेस्ट बनाने के लिए ग्राफीन ऑक्साइड पाउडर को सोनिकेशन के दौरान डाइमेथिलफॉर्मामाइड (DMF) में परिक्षेपित किया जा सकता है। (Han et al.2014)

ग्राफीन नैनोशीट और ग्राफीन ऑक्साइड बनाने के लिए अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। Hielscher की अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ ग्राफीन के संश्लेषण की अत्यंत कुशल, किफ़ायती और तेज़ तकनीक के रूप में प्रभावशाली हैं; इनका उपयोग बड़े स्लरी प्रवाहों के लिए और ग्राफीन के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए किया जाता है।
चित्र स्रोत: 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.

ग्राफीन ऑक्साइड के अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन की क्रियाविधि
(चित्र: Potts et al. 2011)

ग्राफीन ऑक्साइड का अल्ट्रासोनिक प्रकार्यात्मककरण

ग्राफीन ऑक्साइड (GO) को पॉलिमर और कंपोज़िट में शामिल करने के लिए सोनिकेशन का सफलतापूर्वक उपयोग किया जाता है।
उदाहरण:

ग्राफीन ऑक्साइड-TiO2 सूक्ष्मगोला कंपोज़िट
पॉलीस्टाइरीन-मैग्नेटाइट-ग्राफीन ऑक्साइड कंपोज़िट (कोर–शेल संरचना वाला)
पॉलीस्टाइरीन-अपचयित ग्राफीन ऑक्साइड कंपोज़िट
पॉलीएनिलीन नैनोफाइबर से लेपित पॉलीस्टाइरीन/ग्राफीन ऑक्साइड (PANI-PS/GO) कोर–शेल कंपोज़िट
पॉलीस्टाइरीन अंतर्वेशित ग्राफीन ऑक्साइड
p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene से संशोधित ग्राफीन ऑक्साइड

अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन से उत्पादित ग्राफीन ऑक्साइड के अनुप्रयोग

अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन से उत्पादित ग्राफीन ऑक्साइड के विभिन्न क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग हैं। इलेक्ट्रॉनिक्स में इसका उपयोग लचीली विद्युत-चालक फ़िल्मों और सेंसरों में किया जाता है; ऊर्जा भंडारण में यह बैटरियों और सुपरकैपेसिटरों के प्रदर्शन को बेहतर बनाता है। ग्राफीन ऑक्साइड के जीवाणुरोधी गुण इसे जैवचिकित्सकीय अनुप्रयोगों में उपयोगी बनाते हैं, जबकि इसका उच्च पृष्ठीय क्षेत्रफल और प्रकार्यात्मक समूह उत्प्रेरण और पर्यावरणीय उपचार में लाभदायक होते हैं। समग्र रूप से, अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन अत्याधुनिक प्रौद्योगिकियों में उपयोग के लिए उच्च गुणवत्ता वाले ग्राफीन ऑक्साइड के कुशल उत्पादन को सुगम बनाता है।

उच्च शक्ति वाले प्रोब-प्रकार सोनिकेटरों से अल्ट्रासोनिक परत-वियोजन द्वारा उच्च गुणवत्ता वाला एकल-परत ग्रैफीन बनाना सीखें। सोनिकेशन उच्च उपज और उत्कृष्ट परत गुणवत्ता वाले ग्रैफीन परिक्षेपण बनाने की एक सरल, दक्ष और उत्पादन स्तर तक विस्तारणीय विधि है।

ग्राफीन और ग्राफीन ऑक्साइड के प्रसंस्करण के लिए सोनिकेटर

Hielscher Ultrasonics ग्राफीन और ग्राफीन ऑक्साइड के एक्सफोलिएशन, परिक्षेपण और प्रसंस्करण के लिए उच्च शक्ति वाली अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ प्रदान करता है। विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर और परिष्कृत रिएक्टर सटीक नियंत्रण प्रदान करते हैं, जिससे वांछित लक्ष्यों के अनुसार अल्ट्रासोनिक प्रक्रियाओं को समायोजित किया जा सकता है।
एक महत्वपूर्ण मापदंड अल्ट्रासोनिक आयाम है, जो अल्ट्रासोनिक प्रोब के कंपनजनित विस्तार और संकुचन को निर्धारित करता है। Hielscher के औद्योगिक अल्ट्रासोनिकेटर 24/7 निरंतर संचालन में 200µm तक के उच्च आयाम प्रदान करते हैं। इससे भी अधिक आयामों के लिए विशेष रूप से अनुकूलित अल्ट्रासोनिक प्रोब उपलब्ध हैं। सभी प्रोसेसर को प्रक्रिया की परिस्थितियों के अनुसार सटीक रूप से समायोजित किया जा सकता है और अंतर्निहित सॉफ़्टवेयर के माध्यम से उनकी निगरानी की जा सकती है, जिससे विश्वसनीयता, एकसमान गुणवत्ता और पुनरुत्पादनीय परिणाम सुनिश्चित होते हैं।
Hielscher सोनिकेटर मज़बूत होते हैं और कठिन औद्योगिक परिस्थितियों में लगातार काम कर सकते हैं, जिससे बड़े पैमाने पर ग्राफीन, ग्राफीन ऑक्साइड और ग्रेफाइटिक सामग्री तैयार करने के लिए सोनिकेशन पसंदीदा उत्पादन तकनीक बनती है।
विभिन्न आकारों और ज्यामितियों वाले सोनोट्रोड और रिएक्टरों सहित अल्ट्रासोनिकेटर और सहायक उपकरणों की विस्तृत उत्पाद श्रृंखला, उच्चतम गुणवत्ता प्राप्त करने के लिए इष्टतम अभिक्रिया परिस्थितियों और कारकों का चयन संभव बनाती है, जैसे अभिकर्मक, अल्ट्रासोनिक ऊर्जा निवेश, दाब, तापमान और प्रवाह दर। Hielscher के अल्ट्रासोनिक रिएक्टरों में कई सौ barg तक दाब भी बनाया जा सकता है, जिससे 2,50,000 सेंटीपॉइज़ से अधिक श्यानता वाले अत्यधिक श्यान पेस्टों का सोनिकेशन संभव होता है।
इन कारकों के कारण अल्ट्रासोनिक परत-पृथक्करण और एक्सफोलिएशन पारंपरिक तकनीकों से बेहतर प्रदर्शन करते हैं।

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जानने योग्य तथ्य

अल्ट्रासाउंड और कैविटेशन: सोनिकेशन से ग्रेफाइट का एक्सफोलिएशन करके ग्राफीन ऑक्साइड कैसे बनाया जाता है?

ग्रेफाइट ऑक्साइड (GrO) का अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन ध्वनिक कैविटेशन से उत्पन्न उच्च अपरूपण बल पर आधारित है। ध्वनिक कैविटेशन बारी-बारी से आने वाले उच्च दाब / निम्न दाब चक्रों के कारण होता है, जो द्रव में शक्तिशाली अल्ट्रासाउंड तरंगों के युग्मन से उत्पन्न होते हैं। निम्न दाब चक्रों के दौरान बहुत छोटी रिक्तियाँ या निर्वात बुलबुले बनते हैं, जो बारी-बारी से आने वाले निम्न दाब चक्रों के दौरान बढ़ते हैं। जब निर्वात बुलबुले ऐसे आकार तक पहुँच जाते हैं जहाँ वे और अधिक ऊर्जा अवशोषित नहीं कर सकते, तो वे उच्च दाब चक्र के दौरान तीव्रता से ढह जाते हैं। बुलबुलों के अंतःस्फोट से कैविटेशनजनित अपरूपण बल और प्रतिबल तरंगें, 6000K तक का अत्यधिक तापमान, अत्यंत उच्च शीतलन दरें 10¹⁰K/s से अधिक, 2000atm तक के अत्यधिक उच्च दाब, अत्यधिक दाबांतर तथा 1000km/h (∼280m/s) तक की गति वाले द्रव जेट उत्पन्न होते हैं।
ये तीव्र बल ग्रेफाइट की परतों के ढेरों पर प्रभाव डालते हैं, जिनकी परतें अलग होकर एकल या कुछ परतों वाले ग्राफीन ऑक्साइड और विशुद्ध ग्राफीन की नैनोशीट बनाती हैं।

ग्राफीन ऑक्साइड क्या है?

ग्रेफाइट ऑक्साइड (GrO) का एक्सफोलिएशन करके ग्राफीन ऑक्साइड (GO) का संश्लेषण किया जाता है। ग्रेफाइट ऑक्साइड एक 3D सामग्री है, जिसमें ग्राफीन की लाखों परतें होती हैं और उनके बीच ऑक्सीजन अंतर्वेशित होती है, जबकि ग्राफीन ऑक्साइड एकल या कुछ परतों वाला ग्राफीन होता है, जिसके दोनों ओर ऑक्सीजन जुड़ी होती है।
ग्राफीन ऑक्साइड और ग्राफीन निम्नलिखित गुणों में एक-दूसरे से भिन्न होते हैं: ग्राफीन ऑक्साइड ध्रुवीय होता है, जबकि ग्राफीन अध्रुवीय होता है। ग्राफीन ऑक्साइड जलरागी होता है, जबकि ग्राफीन जलविरागी होता है।
इसका अर्थ है कि ग्राफीन ऑक्साइड जल में घुलनशील, उभयरागी, गैर-विषैला और जैवअपघटनीय होता है तथा स्थिर कोलॉइडी निलंबन बनाता है। ग्राफीन ऑक्साइड की सतह पर एपॉक्सी, हाइड्रॉक्सिल और कार्बॉक्सिल समूह होते हैं, जो धनायनों और ऋणायनों के साथ अंतःक्रिया के लिए उपलब्ध होते हैं। अपनी अनूठी कार्बनिक–अकार्बनिक संकर संरचना और असाधारण गुणों के कारण GO–पॉलिमर कंपोज़िट में अनेक औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए उच्च संभावनाएँ होती हैं। (Tolasz et al. 2014)

अपचयित ग्राफीन ऑक्साइड क्या है?

ग्राफीन ऑक्साइड के अल्ट्रासोनिक, रासायनिक या तापीय अपचयन से अपचयित ग्राफीन ऑक्साइड (rGO) का उत्पादन किया जाता है। अपचयन चरण के दौरान ग्राफीन ऑक्साइड के अधिकांश ऑक्सीजनयुक्त प्रकार्यात्मक समूह हटा दिए जाते हैं, जिससे प्राप्त अपचयित ग्राफीन ऑक्साइड (rGO) के गुण विशुद्ध ग्राफीन से बहुत मिलते-जुलते होते हैं। हालाँकि, अपचयित ग्राफीन ऑक्साइड (rGO) शुद्ध ग्राफीन की तरह दोषरहित और विशुद्ध नहीं होता।

साहित्य/संदर्भ

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.