Ultrazvučna sinteza grafena putem pilinga grafita je najpouzdanija i najpovoljnija metoda za proizvodnju visokokvalitetnih grafenskih listova u industrijskim razmjerima. Hielscher ultrazvučni procesori visokih performansi su precizno upravljivi i mogu generirati vrlo visoke amplitude u 24/7 radu. To omogućuje pripremu velikih količina netaknutog grafena na facilan i kontroliran način.

Priprava ultrazvučni grafena

Budući da su izvanredne karakteristike grafita poznate, razvijene su nekoliko metoda za njegovu pripremu. Osim kemijske proizvodnje grafena iz grafenskog oksida u višestupanjskim postupcima, za koje su potrebni vrlo jaki oksidacijski i redukcijski agensi. Dodatno, grafen pripremljen u ovim otežanim kemijskim uvjetima često sadrži veliku količinu manjka čak i nakon redukcije u usporedbi s grafenima dobivenim iz drugih metoda. Međutim, ultrazvuk je dokazana alternativa za proizvodnju grafena visoke kvalitete, također u velikim količinama. Istraživači su razvili malo drugačije načine pomoću ultrazvuka, ali općenito je grafena proizvodnja jednostavni proces u jednom koraku.

Sekvenca velike brzine (od a do f) okvira koji ilustriraju sono-mehanički piling grafitne pahuljice u vodi koristeći UP200S, ultrasonicator od 200W s 3-mm sonotrode. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (pilinga) s kavitacijskim mjehurićima koji prodiru u rascjep.
(studija i slike: © Tyurnina i sur.

Prednosti ultrazvučnog pilinga grafena

Hielscher sonda tipa ultrasonicators i reaktori pretvaraju piling grafena u vrlo učinkovit proces koji se koristi za proizvodnju grafena iz grafita primjenom snažnih ultrazvučnih valova. Ova tehnika nudi nekoliko prednosti u odnosu na druge metode proizvodnje grafena. Glavne prednosti ultrazvučnog pilinga grafena su sljedeće:

• Visoka učinkovitost: Piling grafena putem sonde tipa ultrazvuka je vrlo učinkovita metoda proizvodnje grafena. Može proizvesti velike količine visokokvalitetnog grafena u kratkom vremenskom razdoblju.
• Niska cijena: Oprema potrebna za ultrazvučni piling u industrijskoj proizvodnji grafena relativno je jeftina u usporedbi s drugim metodama proizvodnje grafena, kao što su taloženje kemijske pare (KVB) i mehanički piling.
• Skalabilnost: Piling grafena putem ultrasonicator može se lako povećati za veliku proizvodnju grafena. Ultrazvučni piling i disperzija grafena može se izvoditi u seriji, kao iu kontinuiranom inline procesu. To ga čini održivom opcijom za industrijske primjene.
• Kontrola nad svojstvima grafena: Piling grafena i raslojavanje pomoću sonde tipa ultrazvuka omogućuje preciznu kontrolu nad svojstvima proizvedenog grafena. To uključuje njegovu veličinu, debljinu i broj slojeva.
• Minimalan utjecaj na okoliš: Piling grafena pomoću ultrazvučnog dokazanog je zelena metoda proizvodnje grafena, jer se može koristiti s netoksičnim, ekološki benignim otapalima kao što su voda ili etanol. To znači da ultrazvučna raslojavanje grafena omogućuje izbjegavanje ili smanjenje uporabe oštrih kemikalija ili visokih temperatura. To ga čini ekološki prihvatljivom alternativom drugim metodama proizvodnje grafena.

Sveukupno, piling grafena pomoću Hielscher sonda tipa ultrasonicators i reaktora nudi isplativu, skalabilnu i ekološki prihvatljivu metodu proizvodnje grafena s preciznom kontrolom svojstava dobivenog materijala.

Primjer za jednostavnu proizvodnju grafena pomoću ultrazvuka

Grafit se dodaje u mješavinu razrijeđene organske kiseline, alkohola i vode, a zatim je smjesa izložena ultrazvučnom zračenju. Kiselina djeluje kao “molekularni klin” koji odvaja listova grafena od matične grafita. Do ovog jednostavan proces, velika količina neoštećenom, visoke kvalitete grafena raspršene u vodi se stvara. (Na et al. 2010)
 

Grafen Izravna Piling

Ultrazvuk omogućuje dobivanje graphenes u organskim otapalima, površinski aktivne tvari / vodene otopine, ili ionske tekućine. To znači da je upotreba snažnog oksidacijom ili redukcijom sredstava mogu se izbjeći. Stankovich i sur. (2007) u produkciji grafena po piling pod ultrazvukom.
AFM slike grafen oksida ljuštene ultrazvučnim tretmanom u koncentracijama od 1 mg/mL u vodi uvijek su otkrivale prisutnost listova jednolike debljine (~ 1 nm; primjer je prikazan na slici ispod). Ovi dobro ljušteni uzorci grafen oksida nisu sadržavali listove deblje ili tanje od 1nm, što je dovelo do zaključka da je u tim uvjetima doista postignut potpuni piling grafen oksida do pojedinačnih listova grafen oksida. (Stankovich i sur. 2007)

AFM slika ljuštenih GO listova s tri visinska profila nabavljena na različitim lokacijama
(slika i studija: ©Stankovich i sur., 2007)

Priprema grafena tablice

pokazali su uspješnu pripremu čistih grafenskih listova u velikim količinama tijekom proizvodnje nestohiometrijskog nanokompozita grafena TiO2 termičkom hidrolizom suspenzije s grafenskim nanosheetima i kompleksom titania peroxo. Čisti grafen nanosheets proizvedeni su od prirodnog grafita pomoću kavitacijskog polja visokog intenziteta koje generira Hielscher ultrazvučni procesor UIP1000hd u ultrazvučnom reaktoru pod tlakom na 5 bara. Dobiveni grafenski listovi, s visokom specifičnom površinom i jedinstvenim elektroničkim svojstvima, mogu se koristiti kao dobra podrška TiO2 za poboljšanje fotokatalitičke aktivnosti. Istraživačka skupina tvrdi da je kvaliteta ultrazvučno pripremljenog grafena mnogo veća od grafena dobivenog Hummerovom metodom, gdje se grafit ljušti i oksidira. Kako se fizički uvjeti u ultrazvučnom reaktoru mogu precizno kontrolirati i pretpostavkom da će koncentracija grafena kao dopanta varirati u rasponu od 1 – 0.001%, proizvodnja grafena u kontinuiranom sustavu na komercijalnoj razini lako se instalira. Industrijski ultrasonicators i inline reaktori za učinkovit piling visoke kvalitete grafena su lako dostupni.

Pripravak prema ultrazvučnog tretmana grafena oksida

O sur. (2010) su pokazali pomoću ultrazvučnih načinu pripreme ozračivanje za proizvodnju grafena oksid (GO) slojeva. Stoga su suspendirane dvadeset pet miligrama grafen oksida u prahu u 200 ml deionizirane vode. Miješanjem su dobiveni nehomogeno smeđu suspenziju. Rezultirajuće suspenzije su sonificirane (30 min, 1,3 × 105J), te je nakon sušenja (na 373 K) da ultrazvučno obrađen grafen oksid proizveden. FTIR spektroskopija je pokazala da ultrazvučni tretman nije promijenio funkcionalne skupine grafena oksida.

SEM slika grafen netaknutih nanosheets dobiven ultrazvukom (Oh et al., 2010)

Funkciju grafena listova

Xu i Suslick (2011) opisuje postupak prikladan u jednom koraku za pripravu polistiren funkcionaliziran grafita. U svojoj studiji koristili su grafitne pahuljice i stirena kao osnovne sirovine. Obrađivanjem grafitne pahuljice u stirena (reaktivnog monomera), ultrazvuk ozračivanje rezultirao mehano piling grafitnih pahuljica u jednom sloju i nekoliko-layer grafen listova. Istovremeno, u funkciju od grafen listova s ​​polistirena lanaca je postignut.
Isti proces funkcionalizirati može se provesti s drugim vinilnih monomera za kompozita na bazi grafena.

grafena Disperzije

Razina disperzije grafena i grafen oksida izuzetno je važna za korištenje punog potencijala grafena sa svojim specifičnim svojstvima. Ako se grafen ne raspršuje pod kontroliranim uvjetima, polidisperzija grafenske disperzije može dovesti do nepredvidljivog ili neljudskog ponašanja nakon što se ugradi u uređaje, jer se svojstva grafena razlikuju kao funkcija njegovih strukturnih parametara. Sonication je dokazano liječenje koje oslabljuje snage međusloja i omogućuje točnu kontrolu važnih parametara obrade.
„Za grafen oksida (GO), koji se obično odljuštenih kao single-sloj limova, jedan od glavnih polidisperzitet izazove proizlazi iz razlike u bočnom području pahuljica. Pokazano je da je prosječna veličina bočni GO može pomaknuti od 400 nm do 20 um promjenom grafitne polaznog materijala i uvjeta sonikacijom.”(Green i sur. 2010)
Ultrazvučno raspršivanje grafena što rezultira finim, pa čak i koloidnim kašama dokazano je u raznim drugim studijama. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) pokazali su da je korištenje ultrazvuka stabilna grafen disperzija s visokom koncentracijom od 1 mg · ml-1 i relativno čisti grafen stavlja se postići, a kao pripremljene grafena stavlja pokazuju visoku električnu vodljivost od 712 S · m^-1, Rezultati Fourier transformirana infracrvena spektara i Raman spektar pregled pokazuje da je ultrazvučna metoda preparat ima manje štete na kemijsku i kristalne strukture grafena.

Ultrasonicators visokih performansi za piling grafena

Za proizvodnju visokokvalitetnih grafena nano-listova potrebna je pouzdana ultrazvučna oprema visokih performansi. Amplituda, tlak i temperatura bitni parametri, koji su ključni za obnovljivost i dosljednu kvalitetu proizvoda. Hielscher Ultrasonics’ Ultrazvučni procesori su snažni i precizno upravljivi sustavi, koji omogućuju točno postavljanje parametara procesa i kontinuirani ultrazvučni izlaz velike snage. Hielscher Ultrasonics industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm mogu se lako kontinuirano izvoditi u 24/7 operaciji. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad u teškim uvjetima iu zahtjevnim okruženjima.
Naši kupci su zadovoljni izvanrednom robusnošću i pouzdanošću Hielscher Ultrasonics sustava. Ugradnja u područja teške primjene, zahtjevna okruženja i 24/7 rad osiguravaju učinkovitu i ekonomičnu obradu. Ultrazvučni proces intenziviranje smanjuje vrijeme obrade i postiže bolje rezultate, tj.
Tablica u nastavku daje vam pokazatelj približne mogućnosti obrade naših ultrazvučnih uređaja:

Priprava Carbon Nanoscrolls

Ugljični nanoscrolls slični su ugljikovim nanocjevčicama s više stijenki. Razlika u odnosu na MWCNT-ove su otvoreni vrhovi i potpuna dostupnost unutarnjih površina drugim molekulama. Mogu se sintetizirati mokro-kemijski interkalizacijom grafita s kalijem, pilingom u vodi i ultrazvukom koloidne suspenzije. Viculis i dr. 2003) Ultrasonication pomaže pomicanje prema gore grafen monosloja u ugljik nanoscrolls (vidi grafiku dolje). Postignuta je visoka učinkovitost pretvorbe od 80%, što proizvodnju nanoscrolla čini zanimljivom za komercijalne primjene.

Ultrazvučna sinteza Ugljik Nanoscrolls (Viculis i sur. 2003)

Priprava Nanoribbons

Istraživačka skupina Hongjie Dai i njegovi kolege sa Sveučilišta Stanford pronašli su tehniku ​​za pripremu nanorobona. Graphene vrpce su tanke trake grafena koje mogu imati još korisnije karakteristike od grafenskih ploča. U širinama od oko 10 nm ili manjim, ponašanje grafenskih vrpci sličan je poluvodiču kao što su elektroni prisiljeni pomicati po duljini. Zato bi moglo biti zanimljivo koristiti nanorobone s funkcijama poluvodiča u elektronici (npr. Za manje, brže računalne čipove).
Dai et al. Priprema grafena nanoribbons baza u dva koraka: prvo, da olabavi slojeve grafena od grafita pomoću toplinske obrade 1000ºC tijekom jedne minute u 3% vodikom u argonom. Zatim, grafen bio slomljen gore u trake pomoću ultrazvuka. U nanoribbons dobiveni ovom tehnikom karakterizira puno „glađe’ rubovi od onih proizvesti uobičajenim litografski način. (Jiao i sur. 2009)