अल्ट्रासोनिक ग्राफीन उत्पादन

ग्रेफाइट के अपस्तरण द्वारा ग्राफीन का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण औद्योगिक पैमाने पर उच्च गुणवत्ता वाली ग्राफीन शीट बनाने की सबसे विश्वसनीय और लाभप्रद विधि है। Hielscher के उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है और ये 24/7 संचालन में अत्यंत उच्च आयाम उत्पन्न कर सकते हैं। इससे सरल तरीके से और आकार पर नियंत्रण रखते हुए बड़ी मात्रा में प्रिस्टीन ग्राफीन तैयार किया जा सकता है।

ग्राफीन की अल्ट्रासोनिक तैयारी

ग्रेफाइट के असाधारण गुण ज्ञात होने के बाद से, इसे तैयार करने की कई विधियाँ विकसित की गई हैं। बहुचरणीय प्रक्रियाओं में ग्राफीन ऑक्साइड से ग्राफीन के रासायनिक उत्पादन के अलावा, जिसके लिए बहुत प्रबल ऑक्सीकारक और अपचायक अभिकर्मकों की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, इन कठोर रासायनिक परिस्थितियों में तैयार ग्राफीन में अन्य विधियों से प्राप्त ग्राफीन की तुलना में अपचयन के बाद भी अक्सर बड़ी संख्या में दोष होते हैं। हालाँकि, अल्ट्रासाउंड उच्च गुणवत्ता वाला ग्राफीन बड़ी मात्रा में भी बनाने का एक सिद्ध विकल्प है। शोधकर्ताओं ने अल्ट्रासाउंड का उपयोग करने के थोड़े अलग तरीके विकसित किए हैं, लेकिन सामान्यतः ग्राफीन उत्पादन एक सरल, एकचरणीय प्रक्रिया है।

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

अल्ट्रासोनिक ग्राफीन अपस्तरण के लाभ

Hielscher के प्रोब प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर और रिएक्टर ग्राफीन अपस्तरण को एक अत्यधिक दक्ष प्रक्रिया बनाते हैं, जिसमें शक्तिशाली अल्ट्रासाउंड तरंगों का उपयोग करके ग्रेफाइट से ग्राफीन बनाया जाता है। यह तकनीक ग्राफीन उत्पादन की अन्य विधियों की तुलना में कई लाभ प्रदान करती है। अल्ट्रासोनिक ग्राफीन अपस्तरण के प्रमुख लाभ निम्नलिखित हैं:

• उच्च दक्षता: प्रोब प्रकार के अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा ग्राफीन का अपस्तरण ग्राफीन उत्पादन की एक अत्यंत दक्ष विधि है। इससे कम समय में बड़ी मात्रा में उच्च गुणवत्ता वाला ग्राफीन बनाया जा सकता है।
• कम लागत: औद्योगिक ग्राफीन उत्पादन में अल्ट्रासोनिक अपस्तरण के लिए आवश्यक उपकरण, ग्राफीन उत्पादन की अन्य विधियों, जैसे रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD) और यांत्रिक अपस्तरण, की तुलना में अपेक्षाकृत सस्ते होते हैं।
• उत्पादन का पैमाना बढ़ाने की क्षमता: अल्ट्रासोनिकेटर द्वारा ग्राफीन अपस्तरण का पैमाना आसानी से बढ़ाकर बड़े पैमाने पर ग्राफीन का उत्पादन किया जा सकता है। ग्राफीन का अल्ट्रासोनिक अपस्तरण और परिक्षेपण बैच में तथा सतत इनलाइन प्रक्रिया में, दोनों तरह से किया जा सकता है। इससे यह औद्योगिक पैमाने के अनुप्रयोगों के लिए एक व्यावहारिक विकल्प बनता है।
• ग्राफीन के गुणों पर नियंत्रण: प्रोब प्रकार के अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग करके ग्राफीन का अपस्तरण और परत पृथक्करण करने से उत्पादित ग्राफीन के गुणों पर सटीक नियंत्रण संभव होता है। इनमें इसका आकार, मोटाई और परतों की संख्या शामिल हैं।
• न्यूनतम पर्यावरणीय प्रभाव: अल्ट्रासोनिक प्रोब का उपयोग करके ग्राफीन का अपस्तरण ग्राफीन उत्पादन की एक हरित विधि है, क्योंकि इसका उपयोग जल या एथेनॉल जैसे गैर-विषैले, पर्यावरण के लिए अहानिकर विलायकों के साथ किया जा सकता है। इसका अर्थ है कि ग्राफीन का अल्ट्रासोनिक परत पृथक्करण कठोर रसायनों या उच्च तापमान के उपयोग से बचने या उसे कम करने की अनुमति देता है। इससे यह ग्राफीन उत्पादन की अन्य विधियों का एक पर्यावरण अनुकूल विकल्प बनता है।

कुल मिलाकर, Hielscher के प्रोब प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर और रिएक्टर का उपयोग करके ग्राफीन का अपस्तरण, प्राप्त पदार्थ के गुणों पर सटीक नियंत्रण के साथ ग्राफीन उत्पादन की एक किफायती, उत्पादन का पैमाना बढ़ाने योग्य और पर्यावरण अनुकूल विधि प्रदान करता है।

सोनिकेशन का उपयोग करके ग्राफीन के सरल उत्पादन का उदाहरण

तनु कार्बनिक अम्ल, अल्कोहल और जल के मिश्रण में ग्रेफाइट मिलाया जाता है, और फिर मिश्रण को अल्ट्रासोनिक विकिरण के संपर्क में रखा जाता है। अम्ल एक “आणविक पच्चर” के रूप में कार्य करता है, जो मूल ग्रेफाइट से ग्राफीन की शीट को अलग करता है। इस सरल प्रक्रिया से बड़ी मात्रा में अक्षत, उच्च गुणवत्ता वाला ग्राफीन बनता है, जो जल में परिक्षेपित होता है। (An et al. 2010)
 

ग्राफीन का प्रत्यक्ष परत-पृथक्करण

अल्ट्रासाउंड से कार्बनिक विलायकों, पृष्ठसक्रियकारक/जल विलयनों या आयनिक द्रवों में ग्राफीन तैयार किया जा सकता है। इसका अर्थ है कि प्रबल ऑक्सीकारक या अपचायक एजेंटों के उपयोग से बचा जा सकता है। Stankovich et al. (2007) ने अल्ट्रासोनिकेशन के दौरान परत-पृथक्करण द्वारा ग्राफीन का उत्पादन किया।
जल में 1 mg/mL की सांद्रता पर अल्ट्रासोनिक उपचार द्वारा परत-पृथक किए गए ग्राफीन ऑक्साइड की AFM छवियों में हमेशा एकसमान मोटाई (~1 nm; उदाहरण नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है) वाली शीटों की उपस्थिति दिखाई दी। ग्राफीन ऑक्साइड के इन अच्छी तरह परत-पृथक किए गए नमूनों में 1nm से अधिक मोटी या अधिक पतली कोई शीट नहीं थी, जिससे यह निष्कर्ष निकला कि इन परिस्थितियों में ग्राफीन ऑक्साइड का वास्तव में अलग-अलग ग्राफीन ऑक्साइड शीटों तक पूर्ण परत-पृथक्करण हुआ था। (Stankovich et al. 2007)

अलग-अलग स्थानों पर प्राप्त तीन ऊँचाई प्रोफ़ाइलों के साथ परत-पृथक GO शीटों की AFM छवि
(चित्र और अध्ययन: ©Stankovich et al., 2007)

ग्राफीन शीटों की तैयारी

Stengl et al. ने ग्राफीन नैनोशीटों और टाइटेनिया पेरॉक्सो कॉम्प्लेक्स युक्त निलंबन के तापीय जलअपघटन द्वारा अस्टॉइकियोमितीय TiO2 ग्राफीन नैनोकंपोज़िट के उत्पादन के दौरान बड़ी मात्रा में शुद्ध ग्राफीन शीटों की सफल तैयारी प्रदर्शित की है। शुद्ध ग्राफीन नैनोशीटें प्राकृतिक ग्रेफाइट से तैयार की गईं, जिसके लिए 5 bar पर दबावयुक्त अल्ट्रासोनिक रिएक्टर में Hielscher अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर UIP1000hd द्वारा उत्पन्न उच्च-तीव्रता वाले कैविटेशन क्षेत्र का उपयोग किया गया। प्राप्त ग्राफीन शीटों का विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल अधिक है और उनमें अद्वितीय इलेक्ट्रॉनिक गुण हैं; इनका उपयोग प्रकाश-उत्प्रेरकीय सक्रियता बढ़ाने के लिए TiO2 के अच्छे आधार के रूप में किया जा सकता है। अनुसंधान समूह का दावा है कि अल्ट्रासोनिक विधि से तैयार ग्राफीन की गुणवत्ता Hummer विधि से प्राप्त ग्राफीन की तुलना में बहुत अधिक है, जिसमें ग्रेफाइट का परत-पृथक्करण और ऑक्सीकरण किया जाता है। चूँकि अल्ट्रासोनिक रिएक्टर में भौतिक परिस्थितियों को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है और यह मानते हुए कि डोपेंट के रूप में ग्राफीन की सांद्रता 1 – 0.001% की सीमा में बदलेगी, व्यावसायिक पैमाने पर सतत प्रणाली में ग्राफीन उत्पादन की व्यवस्था आसानी से स्थापित की जा सकती है। उच्च-गुणवत्ता वाले ग्राफीन के कुशल परत-पृथक्करण के लिए औद्योगिक अल्ट्रासोनिकेटर और इनलाइन रिएक्टर आसानी से उपलब्ध हैं।

ग्राफीन ऑक्साइड के अल्ट्रासोनिक उपचार द्वारा तैयारी

Oh et al. (2010) ने ग्राफीन ऑक्साइड (GO) की परतें तैयार करने के लिए अल्ट्रासोनिक विकिरण का उपयोग करने वाली एक विधि प्रदर्शित की है। इसके लिए उन्होंने पच्चीस मिलीग्राम ग्राफीन ऑक्साइड पाउडर को 200 ml विआयनीकृत जल में निलंबित किया। हिलाने से उन्हें एक असमांगी भूरा निलंबन प्राप्त हुआ। परिणामी निलंबनों का सोनिकेशन किया गया (30 min, 1.3 × 105J), और सुखाने के बाद (373 K पर) अल्ट्रासोनिक उपचारित ग्राफीन ऑक्साइड प्राप्त हुआ। FTIR स्पेक्ट्रोस्कोपी से पता चला कि अल्ट्रासोनिक उपचार ने ग्राफीन ऑक्साइड के प्रकार्यात्मक समूहों को नहीं बदला।

अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा प्राप्त मूल अवस्था वाली ग्राफीन नैनोशीटों की SEM छवि (Oh et al., 2010)

ग्राफीन शीटों का प्रकार्यात्मककरण

Xu and Suslick (2011) पॉलीस्टाइरीन से प्रकार्यात्मकृत ग्रेफाइट तैयार करने की एक सुविधाजनक, एक-चरणीय विधि का वर्णन करते हैं। अपने अध्ययन में उन्होंने ग्रेफाइट के शल्कों और स्टाइरीन को मूल कच्चे माल के रूप में उपयोग किया। स्टाइरीन (एक अभिक्रियाशील मोनोमर) में ग्रेफाइट के शल्कों का सोनिकेशन करने पर, अल्ट्रासोनिक विकिरण के कारण ग्रेफाइट के शल्कों का यांत्रिक-रासायनिक अपस्तरण होकर एकल-परतीय और कुछ परतों वाली ग्राफीन शीटें बनीं। साथ ही, पॉलीस्टाइरीन शृंखलाओं से ग्राफीन शीटों का प्रकार्यात्मककरण भी प्राप्त हुआ।
प्रकार्यात्मककरण की यही प्रक्रिया ग्राफीन-आधारित समिश्रों के लिए अन्य विनाइल मोनोमरों के साथ भी की जा सकती है।

ग्राफीन परिक्षेपण

ग्राफीन के विशिष्ट गुणों की पूरी क्षमता का उपयोग करने के लिए ग्राफीन और ग्राफीन ऑक्साइड के परिक्षेपण की मात्रा अत्यंत महत्वपूर्ण है। यदि ग्राफीन को नियंत्रित परिस्थितियों में परिक्षेपित नहीं किया जाता है, तो उपकरणों में शामिल किए जाने के बाद ग्राफीन परिक्षेपण की बहुपरिक्षेपिता अप्रत्याशित या गैर-आदर्श व्यवहार उत्पन्न कर सकती है, क्योंकि ग्राफीन के गुण उसके संरचनात्मक प्राचलों के अनुसार बदलते हैं। सोनिकेशन अंतरपरतीय बलों को कमज़ोर करने का एक प्रमाणित उपचार है और महत्वपूर्ण प्रसंस्करण प्राचलों का सटीक नियंत्रण संभव बनाता है।
“ग्राफीन ऑक्साइड (GO) के लिए, जिसका अपस्तरण आम तौर पर एकल-परतीय शीटों के रूप में किया जाता है, बहुपरिक्षेपिता की मुख्य चुनौतियों में से एक शल्कों के पार्श्व क्षेत्रफल में भिन्नताओं से उत्पन्न होती है। यह दिखाया गया है कि प्रारंभिक ग्रेफाइट सामग्री और सोनिकेशन की परिस्थितियों को बदलकर GO के औसत पार्श्व आकार को 400 nm से 20 μm तक बदला जा सकता है।” (Green et al. 2010)
ग्राफीन के अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण से महीन और एकसमान कोलॉइडी स्लरियाँ बनने का प्रदर्शन विभिन्न अन्य अध्ययनों में किया गया है। (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) ने दिखाया है कि अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग करके 1 mg·mL−1 की उच्च सांद्रता वाला स्थिर ग्राफीन परिक्षेपण और अपेक्षाकृत शुद्ध ग्राफीन शीटें प्राप्त होती हैं, और इस प्रकार तैयार ग्राफीन शीटों की उच्च विद्युत चालकता का मान 712 S·m⁻¹ होता है। फूरियर रूपांतरित अवरक्त स्पेक्ट्रा और रमन स्पेक्ट्रा की जाँच के परिणामों ने संकेत दिया कि अल्ट्रासोनिक तैयारी विधि से ग्राफीन की रासायनिक और क्रिस्टलीय संरचनाओं को कम क्षति पहुँचती है।

ग्राफीन अपस्तरण के लिए उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेटर

उच्च-गुणवत्ता वाली ग्राफीन नैनोशीटों के उत्पादन के लिए विश्वसनीय उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक उपकरण आवश्यक हैं। आयाम, दाब और तापमान आवश्यक प्राचल हैं, जो पुनरुत्पादकता और उत्पाद की एकसमान गुणवत्ता के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। Hielscher Ultrasonics के अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर शक्तिशाली और सटीक रूप से नियंत्रित की जा सकने वाली प्रणालियाँ हैं, जो प्रक्रिया प्राचलों की सटीक सेटिंग और निरंतर उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड आउटपुट प्रदान करती हैं। Hielscher Ultrasonics के औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर बहुत उच्च आयाम प्रदान कर सकते हैं। 200µm तक के आयामों पर 24/7 संचालन आसानी से और निरंतर किया जा सकता है। इससे भी उच्च आयामों के लिए अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं। Hielscher के अल्ट्रासोनिक उपकरणों की मज़बूती भारी कार्यभार और चुनौतीपूर्ण परिवेशों में 24/7 संचालन संभव बनाती है।
हमारे ग्राहक Hielscher Ultrasonics प्रणालियों की असाधारण मज़बूती और विश्वसनीयता से संतुष्ट हैं। भारी कार्यभार वाले अनुप्रयोगों, चुनौतीपूर्ण परिवेशों और 24/7 संचालन के लिए इनकी स्थापना कुशल और किफायती प्रसंस्करण सुनिश्चित करती है। अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया तीव्रीकरण प्रसंस्करण समय को कम करता है और बेहतर परिणाम प्राप्त करता है, अर्थात उच्चतर गुणवत्ता, उच्चतर उपज और नवोन्मेषी उत्पाद।
नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:

कार्बन नैनोस्क्रॉल की तैयारी

कार्बन नैनोस्क्रॉल बहुभित्तीय कार्बन नैनोट्यूब के समान होते हैं। MWCNTs से इनका अंतर इनके खुले सिरों और अन्य अणुओं के लिए इनकी आंतरिक सतहों की पूर्ण सुलभता में है। ग्रेफाइट की परतों के बीच पोटैशियम का अंतर्वेशन करके, पानी में परतों का अपशल्कन करके और कोलॉइडी निलंबन का सोनिकेशन करके इन्हें आर्द्र रासायनिक विधि से संश्लेषित किया जा सकता है। (cf. Viculis et al. 2003) अल्ट्रासोनिकेशन ग्राफीन की एकल परतों को लपेटकर कार्बन नैनोस्क्रॉल बनाने में सहायता करता है (नीचे दिया गया चित्र देखें)। 80% की उच्च रूपांतरण दक्षता प्राप्त की गई है, जिससे व्यावसायिक अनुप्रयोगों के लिए नैनोस्क्रॉल का उत्पादन आकर्षक बनता है।

कार्बन नैनोस्क्रॉल का अल्ट्रासोनिक संश्लेषण (Viculis et al. 2003)

नैनोरिबन की तैयारी

Stanford University के Hongjie Dai और उनके सहकर्मियों के शोध समूह ने नैनोरिबन तैयार करने की एक तकनीक खोजी। ग्राफीन रिबन ग्राफीन की पतली पट्टियाँ हैं, जिनमें ग्राफीन शीटों से भी अधिक उपयोगी विशेषताएँ हो सकती हैं। लगभग 10 nm या उससे कम चौड़ाई पर ग्राफीन रिबन का व्यवहार अर्धचालक के समान होता है, क्योंकि इलेक्ट्रॉनों को लंबाई की दिशा में चलने के लिए बाध्य किया जाता है। इसलिए, इलेक्ट्रॉनिक्स में अर्धचालक जैसे कार्यों वाले नैनोरिबन का उपयोग आकर्षक हो सकता है (जैसे, छोटे और तेज़ कंप्यूटर चिपों के लिए)।
Dai et al. द्वारा ग्राफीन नैनोरिबन की तैयारी दो चरणों पर आधारित है: पहले, उन्होंने आर्गन गैस में 3% हाइड्रोजन के वातावरण में एक मिनट तक 1000ºC पर ऊष्मीय उपचार करके ग्रेफाइट में ग्राफीन की परतों को ढीला किया। फिर, अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग करके ग्राफीन को पट्टियों में तोड़ा गया। इस तकनीक से प्राप्त नैनोरिबन के किनारे पारंपरिक लिथोग्राफिक विधियों से बनाए गए नैनोरिबन के किनारों की तुलना में कहीं अधिक ‘चिकने’ होते हैं। (Jiao et al. 2009)