Grafena Lapisan Tunggal pada Skala Industri Menggunakan Eksfoliasi Ultrasonik

Grafena telah menjadi salah satu material paling menarik dalam ilmu pengetahuan modern – dan dengan alasan yang kuat. Grafena bukan sekadar “material karbon lainnya.” Grafena merupakan satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam kisi sarang lebah yang teratur sempurna, dan struktur yang tampak sederhana ini menghasilkan kombinasi sifat yang menakjubkan yang hanya dapat ditandingi oleh sedikit material.
Tantangannya selalu sama: Bagaimana kita memproduksi grafena lapisan tunggal berkualitas tinggi secara efisien, konsisten, dan dalam jumlah industri?
Di sinilah eksfoliasi ultrasonik berkinerja tinggi – terutama dengan sonikator tipe probe Hielscher – menawarkan jawaban yang praktis dan dapat ditingkatkan skalanya.

Permasalahannya: Memproduksi Grafena Lapisan Tunggal dalam Skala Besar

Grafena terdapat secara alami di dalam grafit, tempat jutaan lapisan grafena bertumpuk rapat. Lapisan-lapisan ini diikat oleh gaya antarlapisan yang kuat (interaksi van der Waals), sehingga sulit dipisahkan secara bersih.

Tujuannya jelas:

• Rendemen grafena lapisan tunggal yang tinggi
• Kerusakan minimal pada kisi grafena
• Ukuran dan morfologi lembaran yang seragam
• Dapat ditingkatkan skalanya hingga volume industri
• Ekonomis dan berkelanjutan secara lingkungan

Metode tradisional kesulitan memenuhi semua persyaratan ini sekaligus.

Mengapa Metode Eksfoliasi Konvensional Belum Memadai

Metode eksfoliasi konvensional meliputi eksfoliasi mekanis, kimia, dan fase cair. Semua metode ini memiliki keterbatasan yang membuat produksi grafena tidak efisien dan/atau berbahaya.

Eksfoliasi Mekanis

Teknik mekanis yang paling dikenal adalah metode “Scotch tape” yang terkenal. Teknik ini dapat menghasilkan grafena tanpa modifikasi, tetapi:

• rendemennya sangat rendah
• bentuk lembarannya tidak beraturan
• sama sekali tidak praktis untuk produksi

Eksfoliasi Kimia

Metode ini menggunakan asam kuat dan oksidator untuk memutus ikatan antarlapisan, tetapi:

• menimbulkan pengotor dan cacat
• menghasilkan limbah kimia
• meningkatkan biaya akibat pelarut, bahan kimia, dan pembuangan limbah
• mengubah sifat kimia grafena (sering kali secara permanen)

Eksfoliasi Fase Cair Konvensional

Pendekatan ini lebih mudah ditingkatkan skalanya, tetapi sering kali memerlukan:

• pelarut khusus seperti N-metil-2-pirolidon (NMP) atau dimetilformamida (DMF)
• waktu pemrosesan yang lama
• rendemen dan efisiensi proses yang terbatas tanpa masukan energi yang tinggi

Produksi Grafena Ultrasonik: Jalan Menuju Produksi Industri

Sintesis grafena ultrasonik menjadi sangat efektif ketika menggunakan sonikasi probe berdaya tinggi, yang menyalurkan energi langsung ke dalam suspensi – jauh lebih efisien daripada sonikasi bak.

Dalam praktiknya, ultrasonik mendukung produksi grafena melalui dua jalur utama:

Metode 1: Metode Hummers’ Berbantuan Ultrasonik (Grafena Oksida)

Metode Hummers’ merupakan jalur kimia yang mengoksidasi grafit menggunakan campuran asam kuat dan zat pengoksidasi – biasanya asam sulfat, asam nitrat, dan kalium permanganat. Selama reaksi ini, gugus fungsi yang mengandung oksigen, seperti gugus hidroksil, epoksida, dan karboksil, dimasukkan ke dalam kisi karbon. Hasilnya adalah grafena oksida (GO), suatu turunan grafena yang dimodifikasi secara kimia.

Ketika ultrasonik diterapkan selama proses ini, efisiensi reaksi meningkat secara signifikan. Pengadukan ultrasonik meningkatkan perpindahan massa antara reaktan dan partikel grafit, sehingga menghasilkan oksidasi yang lebih seragam. Pada saat yang sama, gaya geser yang ditimbulkan oleh kavitasi mendorong pemisahan lapisan grafit teroksidasi menjadi lembaran individual, mempercepat eksfoliasi dan meningkatkan kualitas dispersi.

Peran ultrasonik dalam proses ini:

• meningkatkan perpindahan massa
• mempercepat dispersi
• membantu memisahkan lapisan teroksidasi menjadi lembaran tunggal

Produk metode ini adalah grafena oksida dalam bentuk lembaran berlapis tunggal atau beberapa lapis yang mudah terdispersi dalam air karena sifat kimia permukaannya yang hidrofilik. Karena gugus fungsi yang dimasukkan, grafena oksida sangat reaktif dan sangat sesuai untuk fungsionalisasi kimia berikutnya, pengintegrasian ke dalam komposit, atau reduksi menjadi struktur grafena yang dimodifikasi.

Hasil metode Hummer’s berbantuan ultrasonik:

• lembaran grafena oksida
• dispersi hidrofilik dalam air
• bentuk grafena yang dimodifikasi secara kimia dan sesuai untuk fungsionalisasi

Pendekatan ini sangat sesuai ketika tujuannya bukan grafena tanpa modifikasi, melainkan material aktif permukaan yang sifat kimianya dapat disesuaikan dan yang dirancang untuk modifikasi lebih lanjut atau aplikasi antarmuka tertentu.

Representasi grafis sintesis grafena yang dilakukan dengan metode Hummer dan teknik dispersi menggunakan natrium dodesilbenzenasulfonat (SDS): (A) struktur grafit; (B) nanoplatelet grafena yang terdispersi menggunakan sonikator UP100H; (C) grafena oksida tereduksi; dan (D) grafena oksida.
(Studi dan ilustrasi: Ghanem and Rehim, 2018)

Metode 2: Eksfoliasi Fase Cair Ultrasonik (Grafena Tanpa Modifikasi)

Dalam eksfoliasi fase cair ultrasonik, grafit curah didispersikan dalam pelarut yang sesuai – umumnya N-metil-2-pirolidon (NMP) atau dimetilformamida (DMF) – dan dikenai ultrasonik berdaya tinggi. Berbeda dengan metode oksidatif, proses ini pada dasarnya bersifat fisik, bukan kimia.

Energi ultrasonik yang diterapkan menghasilkan gaya kavitasi yang intens di dalam cairan. Gaya-gaya ini mengatasi interaksi van der Waals yang mengikat lapisan grafena, sehingga mendelaminasi grafit secara fisik menjadi lembaran grafena individual. Seiring berlangsungnya eksfoliasi, dispersi stabil lembaran nano grafena terbentuk di dalam medium pelarut.
Peran ultrasonik dalam proses ini:

• mendelaminasi grafit secara fisik
• memisahkan lapisan grafena individual
• membentuk dispersi grafena yang stabil

Metode ini lebih disukai ketika tujuan utamanya adalah mempertahankan integritas kisi karbon sp² asli. Karena tidak melibatkan zat pengoksidasi yang agresif, struktur kristal serta sifat listrik dan mekanis intrinsik grafena dapat dipertahankan jauh lebih baik. Selain itu, eksfoliasi fase cair ultrasonik sangat sesuai untuk produksi yang dapat ditingkatkan skalanya, sehingga memungkinkan transisi yang andal dari penelitian laboratorium ke manufaktur industri sambil mempertahankan konsistensi produk.
Pendekatan ini menjadi pilihan utama ketika tujuan Anda adalah:

• Mempertahankan kisi sp² asli
• Memproduksi lembaran nano grafena berkualitas tinggi
• Meningkatkan skala produksi secara andal

Sebagai rangkuman, metode Hummers’ memprioritaskan modifikasi kimia, sedangkan eksfoliasi fase cair ultrasonik berfokus pada pelestarian struktur dan produksi lembaran nano grafena berkualitas tinggi.

Urutan bingkai berkecepatan tinggi (dari a hingga f) yang memperlihatkan eksfoliasi sonomekanis serpihan grafit dalam air menggunakan UP200S, sebuah sonikator ultrasonik 200W dengan sonotrode 3-mm. Panah menunjukkan lokasi pemisahan (eksfoliasi), dengan gelembung kavitasi menembus celah pemisahan.
(studi dan gambar: © Tyurnina et al. 2020

Memilih Jalur yang Tepat: Mempertahankan atau Memodifikasi?

Sebuah pertanyaan sederhana menentukan metode terbaik:
Apakah Anda menginginkan grafena tanpa modifikasi – atau grafena oksida yang difungsionalisasi?

Eksfoliasi fase cair berfokus pada mempertahankan kisi dan mengatasi gaya antarlapisan secara lembut.
Metode Hummers’ sengaja mengubah sifat kimia dengan memasukkan gugus oksigen dan cacat, dan ultrasonik terutama meningkatkan dispersi, bukan melindungi struktur.

Perbedaan ini sangat memengaruhi kinerja dan potensi aplikasi grafena yang dihasilkan.

Mengapa Eksfoliasi Ultrasonik Unggul untuk Grafena Industri

Dibandingkan dengan pendekatan eksfoliasi konvensional, eksfoliasi fase cair ultrasonik menawarkan kombinasi efisiensi, kualitas produk, dan kemampuan peningkatan skala industri yang jarang ditemukan.
Salah satu keunggulannya yang paling signifikan adalah rendemen eksfoliasi yang tinggi. Dalam kondisi pemrosesan yang dioptimalkan, kavitasi ultrasonik dapat memisahkan lembaran grafena dari grafit dengan efisiensi yang sangat tinggi, sering kali menghasilkan material yang sebagian besar berlapis tunggal. Hal ini merupakan peningkatan besar dibandingkan dengan eksfoliasi mekanis, yang hanya menghasilkan grafena yang dapat digunakan dalam jumlah sangat kecil.
Keseragaman merupakan faktor penentu lainnya. Karena proses kavitasi dapat dikendalikan dengan cermat, lembaran grafena yang dihasilkan cenderung memiliki ketebalan dan morfologi yang konsisten. Reprodusibilitas ini sangat penting untuk aplikasi industri, ketika konsistensi material secara langsung memengaruhi kinerja produk.
Kemampuan peningkatan skala semakin membedakan pemrosesan ultrasonik. Proses yang berhasil dalam gelas beker laboratorium dapat dialihkan ke skala pilot dan akhirnya ke produksi inline industri. Reaktor alir ultrasonik kontinu memungkinkan pemrosesan dispersi grafit bervolume besar dalam kondisi yang terkendali dan dapat diulang, sehingga teknologi ini layak secara komersial.
Pengendalian proses memberikan fleksibilitas tambahan. Parameter seperti amplitudo, masukan daya ultrasonik, tekanan, suhu, dan waktu tinggal dapat disesuaikan secara presisi. Hal ini memungkinkan produsen menyesuaikan karakteristik grafena dengan kebutuhan aplikasi tertentu sambil mempertahankan reprodusibilitas.
Terakhir, eksfoliasi fase cair ultrasonik dapat diterapkan menggunakan sistem pelarut yang lebih berkelanjutan. Bergantung pada formulasi dan aplikasi yang dituju, sistem berbasis etanol, cairan ionik, atau bahkan medium berair dapat digunakan, sehingga memberikan keuntungan dari segi lingkungan dan regulasi dibandingkan dengan jalur kimia yang sangat oksidatif.

Mengapa Sonikator Probe Hielscher Ideal untuk Eksfoliasi Grafena

Hielscher Ultrasonics menyediakan platform teknologi lengkap yang secara khusus sesuai untuk pemrosesan grafena.
Keunggulan utamanya meliputi:

• ultrasonik tipe probe (jauh lebih efisien daripada sonikasi bak)
• dapat ditingkatkan skalanya dari sistem genggam dan sistem meja hingga reaktor industri 24/7
• pengendalian amplitudo, daya, dan tekanan secara presisi
• konstruksi kokoh berstandar industri untuk operasi kontinu

Pemrosesan Batch vs Inline: Dari Laboratorium ke Pabrik

Sistem Hielscher mendukung pemrosesan batch maupun inline, sehingga memungkinkan transisi yang mulus dari penelitian ke produksi.
Sonikasi batch mudah diterapkan dan sangat sesuai untuk penelitian laboratorium, pengembangan formulasi, dan produksi grafena skala kecil. Metode ini menawarkan fleksibilitas dan optimasi parameter yang cepat, sehingga ideal selama tahap awal pengembangan proses.
Namun, untuk produksi skala industri, pemrosesan inline biasanya lebih disukai. Dalam konfigurasi ini, dispersi grafit dipompa secara kontinu melalui reaktor sel alir ultrasonik. Hal ini memastikan paparan gaya kavitasi yang seragam, sehingga menghasilkan kualitas eksfoliasi yang konsisten dan kapasitas pemrosesan yang tinggi. Ketika dipadukan dengan reaktor yang dapat diberi tekanan, intensitas kavitasi dapat ditingkatkan lebih lanjut, sehingga meningkatkan efisiensi eksfoliasi dan produktivitas.
Desain modular sistem Hielscher memungkinkan perusahaan memulai dengan eksperimen skala meja dan memperluasnya menjadi manufaktur industri yang sepenuhnya kontinu selama 24/7 tanpa mengubah platform teknologi dasarnya.

Tabel di bawah ini memberikan gambaran tentang perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator ultrasonik kami:

Selain Grafena: Ultrasonik untuk Material 2D (“Xenes”)

Eksfoliasi ultrasonik tidak terbatas pada grafena.
Teknologi ini juga banyak digunakan untuk memproduksi xenes, yaitu analog 2D lapisan tunggal dari grafena, termasuk:

• Borophene (serta pita nano borophene / borophene oksida)
• MXenes (karbida, nitrida, dan karbonitrida logam transisi 2D)
• Bismuthene (dikenal karena elektrokatalisis dan biokompatibilitasnya)
• Silicene (silikon 2D menyerupai grafena)

Mekanisme kavitasi yang sama menjadikan ultrasonik salah satu jalur yang paling mudah ditingkatkan skalanya untuk banyak material 2D berlapis.