पानी में परिक्षेपणीय ग्राफीन का अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन

• एकल और द्विपरत ग्राफीन नैनोशीट्स का उत्पादन अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन द्वारा उच्च उत्पादन क्षमता के साथ और कम लागत पर तेज़ी से किया जा सकता है।
• पानी में परिक्षेपणीय ग्राफीन प्राप्त करने के लिए अल्ट्रासोनिक रूप से एक्सफोलिएट किए गए ग्राफीन को जैवपॉलिमरों से प्रकार्यात्मक बनाया जा सकता है।
• अल्ट्रासोनिक कैविटेशन द्वारा संश्लेषित ग्राफीन को आगे संसाधित करके एक स्थिर जल-आधारित परिक्षेपण बनाया जा सकता है।

उच्च गुणवत्ता वाले ग्राफीन का अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन

अल्ट्रासोनिकेशन ग्रेफाइट के पपड़ों या कणों से ग्राफीन की परतें (एकल, द्वि और कुछ परतों वाला ग्राफीन) बनाने की एक विश्वसनीय विधि है। जहाँ बॉल मिल, रोल मिल या उच्च अपरूपण वाले मिक्सर जैसी अन्य प्रचलित एक्सफोलिएशन तकनीकें कम गुणवत्ता और आक्रामक अभिकर्मकों तथा विलायकों के उपयोग से जुड़ी हैं, वहीं अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन विधि अपने उच्च गुणवत्ता वाले उत्पाद, उच्च प्रसंस्करण क्षमता और सौम्य प्रसंस्करण परिस्थितियों के कारण प्रभावशाली है।
अल्ट्रासोनिक कैविटेशन तीव्र अपरूपण बल उत्पन्न करता है, जो एक-दूसरे पर रखी ग्रेफाइट परतों को दोषरहित ग्राफीन की एकल, द्वि और कुछ परतों में अलग कर देते हैं।

सोनिकेशन द्वारा पानी में परिक्षेपणीय ग्राफीन शीट्स

अल्ट्रासोनिकेशन पानी या कार्बनिक विलायकों में कार्बन नैनोट्यूबों को सुलझाने की एक प्रभावी प्रक्रिया है, जिसके परिणाम दोहराए जा सकते हैं।[/caption]सामान्य परिस्थितियों में ग्राफीन पानी में मुश्किल से परिक्षेपित होता है और जलीय माध्यम में परिक्षेपित किए जाने पर समुच्चय तथा गुच्छे बनाता है। चूँकि जलीय प्रणालियों के सस्ती, गैर-विषैली और पर्यावरण के अनुकूल होने के महत्वपूर्ण लाभ हैं, इसलिए जल-आधारित ग्राफीन प्रणालियाँ ग्राफीन निर्माताओं और आगे के प्रसंस्करण उद्योग के लिए अत्यंत आकर्षक हैं।
पानी में परिक्षेपणीय ग्राफीन नैनोशीट्स प्राप्त करने के लिए अल्ट्रासोनिक रूप से एक्सफोलिएट किए गए ग्राफीन को पुलुलन, काइटोसैन, एल्जिनेट, जिलेटिन या गोंद अरबी जैसे पॉलीसैकराइडों / जैवपॉलिमरों से संशोधित किया जाता है।

अल्ट्रासोनिक्स का उपयोग करके ग्रेफाइट के प्रत्यक्ष एक्सफोलिएशन की कार्यविधि

गैर-आयनिक पुलुलन और ऋणायनिक एल्जिनेट (1.0 g) को अलग-अलग 20 ml आसुत जल में घोला गया, जबकि धनायनिक काइटोसैन (0.4 g) को 1 wt% एसिटिक अम्ल वाले 20 ml आसुत जल में घोला गया। ग्रेफाइट पाउडर को जलीय जैवपॉलिमर विलयनों में परिक्षेपित किया गया और टाइटेनियम सोनोट्रोड (माइक्रो टिप S3, टिप व्यास 3 mm, अधिकतम आयाम 210µm, ध्वनिक शक्ति घनत्व या सतही तीव्रता 460 W cm-2) से सुसज्जित प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर UP200S (अधिकतम शक्ति 200 W, आवृत्ति 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, जर्मनी) से निम्नलिखित परिस्थितियों में उपचारित किया गया: 0.5 चक्र और 50% आयाम, क्रमशः 10, 20, 30 और 60 min की अवधि के लिए। सर्वोत्तम परिणाम 30min सोनिकेशन पर प्राप्त हुए। सोनिकेशन 16.25 W की शक्ति पर 30 मिनट के लिए किया गया, जिसमें ऊर्जा खपत (प्रति इकाई आयतन ऊर्जा निर्गत) 731 Ws ml-1 थी।
इसके बाद, बिना एक्सफोलिएट हुए ग्रेफाइट कणों को हटाने के लिए मिश्रणों को 1500 rpm पर 60 min तक अपकेंद्रित किया गया, फिर 5 बार धोया गया और अतिरिक्त जैवपॉलिमरों को हटाने के लिए दोबारा 5000 rpm पर 20 min तक अपकेंद्रित किया गया। प्राप्त गहरे धूसर विलयनों को 40ºC पर निर्वात में तब तक सुखाया गया, जब तक द्रव्यमान में कमी होना बंद नहीं हो गया। प्राप्त पॉलिमर–ग्राफीन पाउडरों को अभिलक्षणन के लिए पानी में फिर से परिक्षेपित किया गया (पुलुलन और काइटोसैन के लिए 1 mg ml-1; एल्जिनेट के लिए 0.18 mg ml-1)। पुलुलन, एल्जिनेट और काइटोसैन की सहायता से किए गए अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा प्राप्त ग्राफीन शीट्स को क्रमशः pull-G, alg-G और chit-G के रूप में दर्शाया गया।
तीनों प्रणालियों में पुलुलन और काइटोसैन, ग्रेफाइट के एक्सफोलिएशन में एल्जिनेट से अधिक प्रभावी थे। इस विधि से एक्सफोलिएट की गई एकल, द्वि और कुछ परतों वाली ग्राफीन शीट्स प्राप्त हुईं, जिनमें पार्श्व (किनारों के) दोष केवल कम मात्रा में थे। ग्राफीन की सतह पर जैवपॉलिमरों का अधिशोषण जलीय परिक्षेपण को लंबे समय तक स्थिरता (6 महीने से अधिक) प्रदान करता है।
(तुलना करें: Unalan et al. 2015)

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

ग्राफीन एक्सफोलिएशन के लिए अल्ट्रासोनिकेटर

Hielscher के उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासोनिक प्रोसेसरों का उपयोग दुनिया भर में ग्रेफाइट और ग्राफीन के सफल एक्सफोलिएशन तथा परिक्षेपण के लिए किया जाता है। हमारे अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सर प्रयोगशाला और बेंच-टॉप इकाइयों से लेकर पूर्ण औद्योगिक उत्पादन इकाइयों तक उपलब्ध हैं। मज़बूती, 24/7 संचालन और कम रखरखाव के अलावा, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर प्रसंस्करण की अत्यधिक सुगमता और रैखिक रूप से पैमाना बढ़ाने की क्षमता के कारण प्रभावशाली हैं।
प्रयोगशाला में प्रक्रियाओं का आसानी से परीक्षण और अनुकूलन किया जा सकता है। इसके बाद सभी प्रक्रिया परिणामों को पूरी तरह रैखिक रूप से व्यावसायिक उत्पादन स्तर तक बढ़ाया जा सकता है। इससे सोनिकेशन उच्च गुणवत्ता वाली ग्राफीन शीट्स के बड़ी मात्रा में उत्पादन की एक प्रभावी और दक्ष विधि बन जाता है।
Hielscher Ultrasonics के औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर बहुत उच्च आयाम प्रदान कर सकते हैं। 200µm तक के आयामों पर आसानी से लगातार 24/7 संचालन किया जा सकता है। इससे भी अधिक आयामों के लिए आवश्यकतानुसार अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं। उपयुक्त अल्ट्रासाउंड रिएक्टर उच्च गुणवत्ता वाली ग्राफीन नैनोशीट्स तथा स्थिर नैनोशीट परिक्षेपणों के विश्वसनीय और सुरक्षित बड़े पैमाने पर उत्पादन की क्षमता सुनिश्चित करते हैं।

Hielscher के अल्ट्रासोनिक उपकरणों की मज़बूती भारी कार्यभार और चुनौतीपूर्ण वातावरण में 24/7 संचालन संभव बनाती है।
नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: