अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन से औद्योगिक पैमाने पर एकल-परतीय ग्राफीन

ग्राफीन आधुनिक विज्ञान की सबसे रोमांचक सामग्रियों में से एक बन गया है – और इसके ठोस कारण हैं। यह केवल “एक और कार्बन सामग्री” नहीं है। ग्राफीन कार्बन की एकल परमाणु परत है, जो पूरी तरह सुव्यवस्थित मधुकोषीय जालक में व्यवस्थित होती है, और यह देखने में सरल संरचना गुणों का ऐसा आश्चर्यजनक संयोजन प्रदान करती है जिसकी बराबरी बहुत कम सामग्रियाँ कर सकती हैं।
चुनौती हमेशा यही रहती है: हम उच्च गुणवत्ता वाला एकल-परतीय ग्राफीन कुशलतापूर्वक, एकसमान गुणवत्ता के साथ और औद्योगिक मात्रा में कैसे बनाएँ?
यहीं उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन – विशेष रूप से Hielscher के प्रोब-प्रकार के सोनिकेटरों के साथ – एक व्यावहारिक समाधान प्रदान करता है, जिसे बड़े पैमाने पर अपनाया जा सकता है।

समस्या: बड़े पैमाने पर एकल-परतीय ग्राफीन का उत्पादन

ग्राफीन प्राकृतिक रूप से ग्रेफाइट के भीतर मौजूद होता है, जहाँ ग्राफीन की लाखों परतें एक-दूसरे के ऊपर सघन रूप से स्थित होती हैं। ये परतें प्रबल अंतरपरतीय बलों (वान डर वाल्स अंतःक्रियाओं) से जुड़ी रहती हैं, जिससे इन्हें साफ़ तौर पर अलग करना कठिन होता है।

लक्ष्य स्पष्ट है:

• एकल-परतीय ग्राफीन की उच्च प्राप्ति
• ग्राफीन जालक को न्यूनतम क्षति
• शीटों का एकसमान आकार और आकारिकी
• औद्योगिक मात्रा तक उत्पादन बढ़ाने की क्षमता
• लागत प्रभावी और पर्यावरण की दृष्टि से टिकाऊ

पारंपरिक विधियों के लिए इन सभी आवश्यकताओं को एक साथ पूरा करना कठिन होता है।

पारंपरिक एक्सफोलिएशन विधियाँ क्यों कम पड़ती हैं

पारंपरिक एक्सफोलिएशन विधियों में यांत्रिक, रासायनिक और द्रव-चरण एक्सफोलिएशन शामिल हैं। इन सभी विधियों की ऐसी सीमाएँ हैं जो ग्राफीन उत्पादन को अकुशल और/या खतरनाक बनाती हैं।

यांत्रिक एक्सफोलिएशन

सबसे प्रमुख यांत्रिक तकनीक प्रसिद्ध “स्कॉच टेप” विधि है। इससे मूल संरचना वाला शुद्ध ग्राफीन बनाया जा सकता है, लेकिन:

• प्राप्ति अत्यंत कम होती है
• शीटें अनियमित होती हैं
• उत्पादन के लिए यह पूरी तरह अव्यावहारिक है

रासायनिक एक्सफोलिएशन

इस विधि में परतों के बीच के बंधनों को तोड़ने के लिए प्रबल अम्लों और ऑक्सीकारकों का उपयोग किया जाता है, लेकिन यह:

• अशुद्धियाँ और दोष उत्पन्न करती है
• रासायनिक अपशिष्ट उत्पन्न करती है
• विलायकों, रसायनों और निपटान के कारण लागत बढ़ाती है
• ग्राफीन की रासायनिक प्रकृति बदल देती है (अक्सर स्थायी रूप से)

पारंपरिक द्रव-चरण एक्सफोलिएशन

इस तरीके में उत्पादन का पैमाना बढ़ाना अधिक आसान है, लेकिन इसमें अक्सर:

• N-मिथाइल-2-पाइरोलिडोन (NMP) या डाइमिथाइलफॉर्मामाइड (DMF) जैसे विशेष विलायकों की आवश्यकता होती है
• लंबे प्रसंस्करण समय की आवश्यकता होती है
• उच्च ऊर्जा निवेश के बिना प्राप्ति और प्रक्रिया दक्षता सीमित रहती हैं

अल्ट्रासोनिक ग्राफीन उत्पादन: औद्योगिक प्रगति का मार्ग

उच्च-शक्ति वाले प्रोब सोनिकेशन का उपयोग करने पर अल्ट्रासोनिक ग्राफीन संश्लेषण अत्यधिक प्रभावी हो जाता है। यह ऊर्जा सीधे निलंबन में पहुँचाता है – बाथ सोनिकेशन की तुलना में कहीं अधिक कुशलता से।

व्यवहार में, अल्ट्रासाउंड दो मुख्य मार्गों से ग्राफीन उत्पादन में सहायता करता है:

विधि 1: अल्ट्रासोनिक सहायता से Hummers विधि (ग्राफीन ऑक्साइड)

Hummers विधि एक रासायनिक मार्ग है जिसमें प्रबल अम्लों और ऑक्सीकारकों के मिश्रण – आम तौर पर सल्फ्यूरिक अम्ल, नाइट्रिक अम्ल और पोटैशियम परमैंगनेट – का उपयोग करके ग्रेफाइट का ऑक्सीकरण किया जाता है। इस अभिक्रिया के दौरान कार्बन जालक में हाइड्रॉक्सिल, एपॉक्साइड और कार्बोक्सिल समूह जैसे ऑक्सीजन-युक्त क्रियात्मक समूह जोड़े जाते हैं। परिणामस्वरूप ग्राफीन ऑक्साइड (GO) बनता है, जो ग्राफीन का रासायनिक रूप से संशोधित व्युत्पन्न है।

इस प्रक्रिया के दौरान अल्ट्रासाउंड लागू करने से अभिक्रिया की दक्षता में उल्लेखनीय वृद्धि होती है। अल्ट्रासोनिक विक्षोभ अभिकारकों और ग्रेफाइट कणों के बीच द्रव्यमान अंतरण में सुधार करता है, जिससे अधिक एकसमान ऑक्सीकरण सुनिश्चित होता है। साथ ही, कैविटेशन से उत्पन्न अपरूपण बल ऑक्सीकृत ग्रेफाइट की परतों को अलग-अलग शीटों में विभाजित करने में सहायता करते हैं, जिससे एक्सफोलिएशन तेज़ होता है और परिक्षेपण की गुणवत्ता सुधरती है।

यहाँ अल्ट्रासाउंड के कार्य:

• द्रव्यमान अंतरण में सुधार करता है
• परिक्षेपण को तेज़ करता है
• ऑक्सीकृत परतों को अलग-अलग शीटों में विभाजित करने में सहायता करता है

इस विधि का उत्पाद एकल या कुछ परतों वाली शीटों के रूप में ग्राफीन ऑक्साइड होता है, जो अपनी जलस्नेही सतही रसायनिकी के कारण पानी में आसानी से विसरित हो जाती हैं। जोड़े गए कार्यात्मक समूहों के कारण, ग्राफीन ऑक्साइड अत्यधिक अभिक्रियाशील होता है और बाद में रासायनिक कार्यात्मकीकरण, समग्र सामग्रियों में समावेशन या अपचयन द्वारा संशोधित ग्राफीन संरचनाएँ बनाने के लिए उपयुक्त होता है।

अल्ट्रासोनिक सहायता प्राप्त Hummer’s विधि से क्या बनता है:

• ग्राफीन ऑक्साइड की शीटें
• पानी में जलस्नेही विसरण
• कार्यात्मकीकरण के लिए उपयुक्त ग्राफीन का रासायनिक रूप से संशोधित रूप

यह तरीका विशेष रूप से तब उपयुक्त होता है, जब उद्देश्य मूल, असंशोधित ग्राफीन प्राप्त करना नहीं, बल्कि आगे संशोधन या विशिष्ट अंतरापृष्ठीय अनुप्रयोगों के लिए तैयार की गई ऐसी सतह-सक्रिय सामग्री प्राप्त करना हो, जिसकी रासायनिक प्रकृति को आवश्यकतानुसार समायोजित किया जा सके।

Hummer विधि तथा सोडियम डोडेसिलबेंज़ीनसल्फोनेट (SDS) का उपयोग करने वाली विसरण तकनीक से ग्राफीन संश्लेषण का चित्रात्मक निरूपण: (A) ग्रेफाइट की संरचना; (B) ग्राफीन नैनोप्लेटलेट्स, जिन्हें सोनिकेटर UP100H का उपयोग करके विसरित किया गया है; (C) अपचयित ग्राफीन ऑक्साइड; और (D) ग्राफीन ऑक्साइड।
(अध्ययन और चित्र: Ghanem and Rehim, 2018)

विधि 2: अल्ट्रासोनिक द्रव-प्रावस्था एक्सफोलिएशन (मूल, असंशोधित ग्राफीन)

अल्ट्रासोनिक द्रव-प्रावस्था एक्सफोलिएशन में, स्थूल ग्रेफाइट को एक उपयुक्त विलायक – सामान्यतः N-मिथाइल-2-पाइरोलिडोन (NMP) या डाइमेथाइलफॉर्मामाइड (DMF) – में विसरित किया जाता है और उस पर उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड लागू किया जाता है। ऑक्सीकरण विधियों के विपरीत, यह प्रक्रिया मूलतः रासायनिक के बजाय भौतिक होती है।

लागू की गई अल्ट्रासोनिक ऊर्जा द्रव के भीतर तीव्र कैविटेशन बल उत्पन्न करती है। ये बल ग्राफीन की परतों को एक साथ बाँधे रखने वाली van der Waals अंतःक्रियाओं पर काबू पाते हैं और भौतिक रूप से ग्रेफाइट की परतों को अलग करके स्वतंत्र ग्राफीन शीटें बनाते हैं। एक्सफोलिएशन आगे बढ़ने के साथ, विलायक माध्यम में ग्राफीन नैनोशीटों के स्थिर विसरण बनते हैं।
यहाँ अल्ट्रासाउंड क्या करता है:

• भौतिक रूप से ग्रेफाइट की परतों को अलग करता है
• ग्राफीन की अलग-अलग परतों को पृथक करता है
• ग्राफीन के स्थिर विसरण बनाता है

यह विधि तब पसंद की जाती है, जब प्राथमिक लक्ष्य मूल sp² कार्बन जालक की अखंडता को बनाए रखना हो। चूँकि इसमें किसी प्रबल ऑक्सीकारक का उपयोग नहीं होता, इसलिए ग्राफीन की क्रिस्टलीय संरचना तथा उसके अंतर्निहित विद्युत और यांत्रिक गुणों को कहीं अधिक हद तक बनाए रखा जा सकता है। इसके अतिरिक्त, अल्ट्रासोनिक द्रव-प्रावस्था एक्सफोलिएशन उत्पादन का पैमाना बढ़ाने के लिए उपयुक्त है और उत्पाद की एकरूपता बनाए रखते हुए प्रयोगशाला अनुसंधान से औद्योगिक विनिर्माण तक विश्वसनीय रूप से बढ़ने की सुविधा देता है।
यह तरीका तब पसंदीदा विकल्प होता है, जब आपका लक्ष्य हो:

• मूल sp² जालक को सुरक्षित रखना
• उच्च-गुणवत्ता वाली ग्राफीन नैनोशीटों का उत्पादन करना
• विश्वसनीय रूप से उत्पादन का पैमाना बढ़ाना

संक्षेप में, जहाँ Hummers’ विधि रासायनिक संशोधन को प्राथमिकता देती है, वहीं अल्ट्रासोनिक द्रव-प्रावस्था एक्सफोलिएशन संरचना के संरक्षण और उच्च-गुणवत्ता वाली ग्राफीन नैनोशीटों के उत्पादन पर केंद्रित होता है।

फ्रेमों का एक उच्च-गति अनुक्रम (a से f तक), जो 3-mm सोनोट्रोड वाले 200W अल्ट्रासोनिकेटर UP200S का उपयोग करके पानी में ग्रेफाइट के एक शल्क के ध्वनिक-यांत्रिक एक्सफोलिएशन को दर्शाता है। तीर विभाजन (एक्सफोलिएशन) का स्थान दिखाते हैं, जहाँ कैविटेशन बुलबुले दरार में प्रवेश कर रहे हैं।
(अध्ययन और चित्र: © Tyurnina et al. 2020

सही मार्ग चुनना: संरक्षित करें या संशोधित?

एक सरल प्रश्न सर्वोत्तम विधि निर्धारित करता है:
क्या आप मूल, असंशोधित ग्राफीन चाहते हैं – या कार्यात्मक समूहों से युक्त ग्राफीन ऑक्साइड?

द्रव-प्रावस्था एक्सफोलिएशन जालक को संरक्षित रखने और सौम्य तरीके से अंतरपरतीय बलों पर काबू पाने पर केंद्रित होता है।
Hummers’ विधि जानबूझकर रासायनिक प्रकृति बदलती है और ऑक्सीजन समूह तथा दोष जोड़ती है, जबकि अल्ट्रासाउंड मुख्यतः संरचना की रक्षा करने के बजाय विसरण को बेहतर बनाता है।

यह अंतर अंतिम ग्राफीन के प्रदर्शन और उसके अनुप्रयोग की संभावनाओं को बहुत अधिक प्रभावित करता है।

औद्योगिक ग्राफीन के लिए अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन उत्कृष्ट क्यों है

पारंपरिक एक्सफोलिएशन विधियों की तुलना में, अल्ट्रासोनिक द्रव-चरण एक्सफोलिएशन दक्षता, उत्पाद की गुणवत्ता और औद्योगिक स्तर तक विस्तार की क्षमता का एक दुर्लभ संयोजन प्रदान करता है।
इसके सबसे महत्वपूर्ण लाभों में से एक एक्सफोलिएशन की उच्च प्राप्ति है। अनुकूलित प्रसंस्करण परिस्थितियों में, अल्ट्रासोनिक कैविटेशन उल्लेखनीय रूप से उच्च दक्षता के साथ ग्रेफाइट से ग्राफीन शीट अलग कर सकता है, जिससे अक्सर मुख्यतः एकल-परत वाली सामग्री प्राप्त होती है। यह यांत्रिक एक्सफोलिएशन की तुलना में एक बड़ा सुधार है, जिससे उपयोग योग्य ग्राफीन की केवल अत्यल्प मात्रा प्राप्त होती है।
एकरूपता एक अन्य निर्णायक कारक है। चूँकि कैविटेशन प्रक्रिया को सावधानीपूर्वक नियंत्रित किया जा सकता है, इसलिए प्राप्त ग्राफीन शीट की मोटाई और आकारिकी में आम तौर पर एकरूपता होती है। यह पुनरुत्पादकता उन औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक है जहाँ सामग्री की एकरूपता सीधे उत्पाद के प्रदर्शन को प्रभावित करती है।
बड़े पैमाने पर विस्तार की क्षमता अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण को और भी विशिष्ट बनाती है। प्रयोगशाला के बीकर में काम करने वाली प्रक्रिया को पायलट स्तर और अंततः औद्योगिक इनलाइन उत्पादन तक ले जाया जा सकता है। सतत अल्ट्रासोनिक प्रवाह रिएक्टर नियंत्रित और दोहराने योग्य परिस्थितियों में बड़ी मात्रा में ग्रेफाइट परिक्षेपण को संसाधित करने की सुविधा देते हैं, जिससे यह तकनीक व्यावसायिक रूप से व्यवहार्य बनती है।
प्रक्रिया नियंत्रण अतिरिक्त लचीलापन प्रदान करता है। आयाम, अल्ट्रासोनिक शक्ति इनपुट, दाब, तापमान और निवास समय जैसे मापदंडों को सटीक रूप से समायोजित किया जा सकता है। इससे निर्माता पुनरुत्पादकता बनाए रखते हुए ग्राफीन के गुणों को विशिष्ट अनुप्रयोग आवश्यकताओं के अनुरूप ढाल सकते हैं।
अंत में, अल्ट्रासोनिक द्रव-चरण एक्सफोलिएशन को अधिक पर्यावरणीय रूप से टिकाऊ विलायक प्रणालियों का उपयोग करके कार्यान्वित किया जा सकता है। फॉर्मूलेशन और लक्षित अनुप्रयोग के आधार पर, एथेनॉल-आधारित प्रणालियों, आयनिक द्रवों या यहाँ तक कि जलीय माध्यमों का भी उपयोग किया जा सकता है, जो प्रबल ऑक्सीकारक रासायनिक विधियों की तुलना में पर्यावरणीय और विनियामक लाभ प्रदान करते हैं।

Hielscher प्रोब सोनिकेटर ग्राफीन एक्सफोलिएशन के लिए आदर्श क्यों हैं

Hielscher Ultrasonics विशेष रूप से ग्राफीन प्रसंस्करण के अनुकूल एक संपूर्ण प्रौद्योगिकी प्लेटफ़ॉर्म प्रदान करता है।
प्रमुख लाभों में शामिल हैं:

• प्रोब-प्रकार का अल्ट्रासाउंड (बाथ सोनिकेशन से कहीं अधिक दक्ष)
• हाथ में पकड़ी जाने वाली और बेंचटॉप प्रणालियों से लेकर औद्योगिक 24/7 रिएक्टरों तक विस्तार योग्य
• आयाम, शक्ति और दाब पर सटीक नियंत्रण
• सतत संचालन के लिए मज़बूत, औद्योगिक श्रेणी का निर्माण

बैच बनाम इनलाइन प्रसंस्करण: प्रयोगशाला से कारखाने तक

Hielscher प्रणालियाँ बैच और इनलाइन दोनों प्रकार के प्रसंस्करण का समर्थन करती हैं, जिससे अनुसंधान से उत्पादन तक सहज संक्रमण संभव होता है।
बैच सोनिकेशन को कार्यान्वित करना सरल है और यह प्रयोगशाला अनुसंधान, फॉर्मूलेशन विकास तथा छोटे पैमाने पर ग्राफीन उत्पादन के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है। यह लचीलापन और मापदंडों का तेज़ी से अनुकूलन प्रदान करता है, जिससे यह प्रक्रिया विकास के शुरुआती चरणों के दौरान आदर्श बनता है।
हालाँकि, औद्योगिक स्तर पर उत्पादन के लिए आम तौर पर इनलाइन प्रसंस्करण को प्राथमिकता दी जाती है। इस विन्यास में, ग्रेफाइट परिक्षेपण को एक अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल रिएक्टर से लगातार पंप किया जाता है। इससे सामग्री पर कैविटेशन बलों का एकसमान प्रभाव सुनिश्चित होता है, जिसके परिणामस्वरूप एक्सफोलिएशन की एकसमान गुणवत्ता और उच्च प्रसंस्करण क्षमता प्राप्त होती है। दाबयुक्त किए जा सकने वाले रिएक्टरों के साथ संयोजन करने पर, कैविटेशन की तीव्रता को और बढ़ाया जा सकता है, जिससे एक्सफोलिएशन की दक्षता और उत्पादकता बढ़ती है।
Hielscher प्रणालियों का मॉड्यूलर डिज़ाइन कंपनियों को बेंच स्तर के प्रयोगों से शुरुआत करने और मूल प्रौद्योगिकी प्लेटफ़ॉर्म को बदले बिना पूर्णतः सतत, 24/7 औद्योगिक विनिर्माण तक विस्तार करने में सक्षम बनाता है।

नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:

ग्राफीन से आगे: 2D सामग्रियों (“Xenes”) के लिए अल्ट्रासाउंड

अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन केवल ग्राफीन तक सीमित नहीं है।
इसका व्यापक उपयोग ज़ीन्स के उत्पादन के लिए भी किया जाता है, जो ग्राफीन के एकल-परत वाले 2D समकक्ष हैं। इनमें शामिल हैं:

• बोरोफीन (और बोरोफीन नैनोरिबन / बोरोफीन ऑक्साइड)
• MXenes (2D संक्रमण धातु कार्बाइड, नाइट्राइड, कार्बोनाइट्राइड)
• बिस्मथीन (विद्युत-उत्प्रेरण और जैवसंगतता के लिए उल्लेखनीय)
• सिलिसीन (ग्राफीन जैसा 2D सिलिकॉन)

यही कैविटेशन तंत्र अल्ट्रासाउंड को कई परतदार 2D पदार्थों के लिए उत्पादन का पैमाना बढ़ाने की सर्वाधिक क्षमता वाली विधियों में से एक बनाता है।