Produzione di grafene a ultrasuoni

La sintesi ad ultrasuoni del grafene tramite esfoliazione della grafite è il metodo più affidabile e vantaggioso per produrre fogli di grafene di alta qualità su scala industriale. I processori ad ultrasuoni ad alte prestazioni di Hielscher sono controllabili con precisione e possono generare ampiezze molto elevate in funzionamento 24/7. Ciò consente di preparare elevati volumi di grafene incontaminato in modo facile e controllabile in termini di dimensioni.

Preparazione ad ultrasuoni del grafene

Foglio di grafenePoiché sono note le straordinarie caratteristiche della grafite, sono stati sviluppati diversi metodi per la sua preparazione. Accanto alla produzione chimica di grafeni da ossido di grafene in processi a più fasi, per i quali sono necessari agenti ossidanti e riducenti molto forti. Inoltre, il grafene preparato in queste difficili condizioni chimiche spesso contiene una grande quantità di difetti anche dopo la riduzione rispetto ai grafeni ottenuti con altri metodi. Tuttavia, gli ultrasuoni sono un'alternativa collaudata per produrre grafene di alta qualità, anche in grandi quantità. I ricercatori hanno sviluppato modi leggermente diversi utilizzando gli ultrasuoni, ma in generale la produzione di grafene è un semplice processo ad una fase.
Per fare un esempio di uno specifico percorso di produzione del grafene: La grafite viene aggiunta in una miscela di acido organico diluito, alcool e acqua, e quindi la miscela viene esposta all'irradiazione ultrasonica. L'acido funziona come un “cuneo molecolare” che separa i fogli di grafene dalla grafite madre. Con questo semplice processo, si crea una grande quantità di grafene di alta qualità non danneggiato e disperso in acqua. (An et al. 2010)

Hielscher's High Power Ultrasound Devices are the ideal tool to prepare graphene - both in lab scale as well as in full commercial process streams

Fig. 1: Immagine AFM delle lastre GO esfogliate con tre profili di altezza acquisiti in luoghi diversi (Stankovich et al. 2007).

UIP2000hdT - Ultrasuoni da 2kW per il trattamento dei liquidi.

UIP2000hdT – Potente ultrasuonatore da 2kW per l'esfoliazione del grafene

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Esfoliazione diretta del grafene

Gli ultrasuoni consentono la preparazione di grafici in solventi organici, tensioattivi/soluzioni acquose o liquidi ionici. Ciò significa che è possibile evitare l'uso di agenti fortemente ossidanti o riducenti. Stankovich et al. (2007) hanno prodotto grafene per esfoliazione sotto ultrasuoni.
Le immagini AFM dell'ossido di grafene esfoliato dal trattamento ad ultrasuoni a concentrazioni di 1 mg/mL in acqua hanno sempre rivelato la presenza di lastre di spessore uniforme (~1 nm; l'esempio è mostrato in Fig. 1 sotto). Questi campioni ben esfoliati di ossido di grafene non contenevano fogli né più spessi né più sottili di 1 nm, il che ha portato alla conclusione che, in queste condizioni, è stata effettivamente ottenuta un'esfoliazione completa dell'ossido di grafene fino alle singole lastre di ossido di grafene. (Stankovich et al. 2007)

Preparazione delle lastre di grafene

Stengl et al. hanno dimostrato il successo nella preparazione di fogli di grafene puro in grandi quantità durante la produzione di nanocomposito di grafene TiO2 non stechiometrico mediante idrolisi termica di sospensione con nanosheet di grafene e complesso titania peroxo. I nanosheet di grafene puro sono stati prodotti da grafite naturale utilizzando un campo di cavitazione ad alta intensità generato dal processore ad ultrasuoni di Hielscher. UIP1000hd in un reattore ad ultrasuoni ad alta pressione a 5 bar. Le lastre di grafene ottenute, con elevata superficie specifica e proprietà elettroniche uniche, possono essere utilizzate come buon supporto per il TiO2 per potenziare l'attività fotocatalitica. Il gruppo di ricerca sostiene che la qualità del grafene preparato ad ultrasuoni è molto superiore a quella del grafene ottenuto con il metodo di Hummer, dove la grafite viene esfoliata e ossidata. Poiché le condizioni fisiche nel reattore ad ultrasuoni possono essere controllate con precisione e nell'ipotesi che la concentrazione di grafene come agente di drogaggio varierà nell'intervallo di 1 – 0.001%, la produzione di grafene in un sistema continuo su scala commerciale e' possibile.

Preparazione mediante trattamento ad ultrasuoni dell'ossido di grafene

Oh et al. (2010) hanno mostrato un percorso di preparazione che utilizza l'irradiazione ultrasonica per produrre strati di ossido di grafene (GO). Pertanto, hanno sospeso venticinque milligrammi di polvere di ossido di grafene in 200 ml di acqua deionizzata. Agitando hanno ottenuto una sospensione marrone disomogenea. Le sospensioni ottenute sono state sonicate (30 min, 1,3 × 105J) e dopo l'essiccazione (a 373 K) è stato prodotto l'ossido di grafene trattato ad ultrasuoni. Una spettroscopia FTIR ha mostrato che il trattamento ultrasonico non ha cambiato i gruppi funzionali dell'ossido di grafene.

Nanosheet di nanosheet di ossido di grafene esfoliato ad ultrasuoni

Fig. 2: Immagine al SEM di nanosheet di grafene ottenuti per ultrasonicazione (Oh et al. 2010)

Sintesi ad ultrasuoni di grafene con un Hielscher UIP4000hdT

UIP4000hdT – Ultrasuonatore ad alta potenza da 4 kW

Funzionalizzazione delle lastre di grafene

Xu e Suslick (2011) descrivono un comodo metodo in un'unica fase per la preparazione della grafite funzionalizzata di polistirolo. Nel loro studio, hanno utilizzato fiocchi di grafite e stirene come materia prima di base. L'irradiazione ad ultrasuoni ha portato all'esfoliazione meccanico-chimica delle scaglie di grafite in lastre di grafene monostrato e a pochi strati. Contemporaneamente è stata realizzata la funzionalizzazione delle lastre di grafene con le catene di polistirolo.
Lo stesso processo di funzionalizzazione può essere effettuato con altri monomeri vinilici per compositi a base di grafene.

Preparazione dei nanoribbons

Il gruppo di ricerca di Hongjie Dai e dei suoi colleghi della Stanford University ha trovato una tecnica per preparare i nanoribbons. I nastri di grafene sono sottili strisce di grafene che possono avere caratteristiche ancora più utili delle lastre di grafene. A larghezze di circa 10 nm o inferiori, il comportamento dei nastri di grafene è simile a quello di un semiconduttore, poiché gli elettroni sono costretti a muoversi longitudinalmente. Di conseguenza, potrebbe essere interessante utilizzare nanoribbons con funzioni simili ai semiconduttori nell'elettronica (ad esempio, per chip più piccoli e veloci).
Dai et al. preparazione di basi di nanoribbons grafene nanoribbons grafene su due passi: in primo luogo, hanno sciolto gli strati di grafene dalla grafite con un trattamento termico di 1000ºC per un minuto in idrogeno al 3% in gas argon. Poi, il grafene è stato spezzettato in strisce usando l'ultrasuoni. I nanoribbons ottenuti con questa tecnica sono caratterizzati da una tecnica molto piu' liscia.’ di quelli realizzati con mezzi litografici convenzionali. (Jiao et al. 2009)

Preparazione dei nanoscrolls di carbonio

I nanotubi di carbonio sono simili ai nanotubi di carbonio a pareti multiple. La differenza rispetto ai MWCNT è l'apertura delle punte e la piena accessibilità delle superfici interne ad altre molecole. Possono essere sintetizzati in modo umido-chimico intercalando grafite con potassio, esfoliante in acqua e sonicando la sospensione colloidale. (cfr. Viculis et al. 2003) L'ultrasonicazione assiste lo scorrimento verso l'alto dei monostrati di grafene in nanoscrolls di carbonio (vedi fig. 3). E' stata raggiunta un'alta efficienza di conversione dell'80%, che rende la produzione di nanoscrolls interessante per applicazioni commerciali.

Sintesi ultrasonicamente assistita di nanoscrolls di carbonio

Fig.3: Sintesi ultrasonica di nanoscrolls di carbonio (Viculis et al. 2003)

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Dispersioni di grafene

Il grado di dispersione del grafene e dell'ossido di grafene è estremamente importante per sfruttare appieno il potenziale del grafene con le sue caratteristiche specifiche. Se il grafene non è disperso in condizioni controllate, la polidispersità della dispersione del grafene può portare a un comportamento imprevedibile o non ideale una volta incorporato nei dispositivi, poiché le proprietà del grafene variano in funzione dei suoi parametri strutturali. L'sonicazione è un trattamento collaudato per indebolire le forze tra gli strati e consente un controllo accurato dei parametri di lavorazione importanti.
"Per l'ossido di grafene (GO), che è tipicamente esfoliato come fogli monostrato, una delle principali sfide della polidispersità deriva dalle variazioni dell'area laterale dei fiocchi. È stato dimostrato che la dimensione laterale media del GO può essere spostata da 400 nm a 20 μm cambiando il materiale di partenza in grafite e le condizioni di sonicazione". (Green et al. 2010)
Gli ultrasuoni la dispersione di grafene che produce slurry fini e persino colloidale è stato dimostrato in vari altri studi. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) hanno dimostrato che con l'uso dell'ultrasonicazione si ottiene una dispersione stabile del grafene con un'alta concentrazione di 1 mg-mL-1 e lastre di grafene relativamente pure, e le lastre di grafene così preparate mostrano un'elevata conducibilità elettrica di 712 S-m−1. I risultati degli spettri infrarossi trasformati di Fourier e dell'esame degli spettri Raman hanno indicato che il metodo di preparazione ad ultrasuoni ha meno danni alle strutture chimiche e cristalline del grafene.

Ultrasuoni ad alte prestazioni

Per la produzione di nanofogli di grafene di alta qualità sono necessarie apparecchiature ad ultrasuoni affidabili e ad alte prestazioni. Ampiezza, pressione e temperatura sono parametri essenziali, che sono cruciali per la riproducibilità e la qualità costante del prodotto. Hielscher Ultrasonics’ I processori ad ultrasuoni sono sistemi potenti e precisamente controllabili, che consentono l'esatta impostazione dei parametri di processo e l'uscita continua ad ultrasuoni ad alta potenza. Hielscher Ultrasonics’ i processori ad ultrasuoni industriali possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite ininterrottamente in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi ad ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature ad ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24/7 in ambienti gravosi e impegnativi.
I nostri clienti sono soddisfatti dell'eccezionale robustezza e affidabilità dei sistemi Hielscher Ultrasonic. L'installazione in campi di applicazioni gravose, ambienti esigenti e funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7 giorni su 7 garantisce una lavorazione efficiente ed economica. L'intensificazione del processo ad ultrasuoni riduce i tempi di lavorazione e consente di ottenere risultati migliori, ovvero una qualità superiore, rese più elevate, prodotti innovativi.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
0,5-1,5 mL n.a. VialTweeter
1 - 500mL 10 - 200mL/min UP100H
10 - 2000mL 20 - 400mL/min UP200Ht, UP400St
0,1 - 20L 0,2 - 4L/min UIP2000hdT
10 - 100L 2 - 10L/min UIP4000hdT
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Preparazione del grafene assistita da ultrasuoni


Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per la dispersione, l'emulsione e l'estrazione delle cellule.

Omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alta potenza da laboratorio a scala pilota e industriale.

Letteratura/riferimenti

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  • Choi, E. Y. Y.; Han, T. H.; Hong, J.; Kim, J. E.; Lee, S. H. H.; Kim, H. W.; Kim, S. O. (2010): Funzionalizzazione non covalente del grafene con polimeri end-funzionali. Rivista di chimica dei materiali 20/ 2010. pp. 1907-1912.
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  • Guo, J.; Zhu, S.; Chen, Z.; Li, Y.; Yu, Z.; Liu, Z.; Liu, Q.; Li, J.; Feng, C.; Zhang, D. (2011): Sintesi geochimica di TiO (2 nanoparticelle su grafene per l'uso come fotocatalizzatore.
  • Hasan, K. ul; Sandberg, M. O.; Nur, O.; Willander, M. (2011): Stabilizzazione della polifunzionalità delle sospensioni di grafene. Lettere di ricerca su scala nanometrica 6:493, 2011.
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  • Xu, H.; Suslick, K. S. (2011): Preparazione Sonochimica dei Grafeni Funzionalizzati. Dentro: Rivista dell'American Chemical Society 133/2011. pp. 9148-9151.
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  • Jiao, L.; Zhang, L.; Wang, X.; Diankov, G.; Dai, H. (2009): Stretti nanoribboni di grafene da nanotubi di carbonio. Natura 458/2009. pp. 877-880.
  • Park, G.; Lee, K. G. G.; Lee, S. J.; Park, T. J.; Wi, R.; Kim, D. H. (2011): Sintesi dei nanocompositi Grafeno-Oro attraverso la Riduzione Sono-chimica. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 7/11, 2011. pp. 6095-6101.
  • Zhang, R.Q.; De Sakar, A. (2011): Studi teorici sulla formazione, tuning immobiliare e adsorbimento dei segmenti del grafene. Dentro: M. Sergey (a cura di): Fisica e applicazioni del grafene - Teoria. InTech 2011. pp. pp. 3-28.


Particolarità / Cose da sapere

Che cos'è il grafene?

La grafite è composta da fogli bidimensionali di atomi di carbonio (il grafene) disposti esagonalmente, ibridati con sp2, che vengono regolarmente impilati. Gli atomi sottili del grafene, che formano grafite da interazioni non leganti, sono caratterizzati da una superficie estremamente più ampia. Il grafene mostra una straordinaria forza e fermezza lungo i suoi livelli basali che raggiunge con circa 1020 GPa quasi il valore di resistenza del diamante.
Il grafene è l'elemento strutturale di base di alcuni allotropi che comprendono, oltre alla grafite, anche nanotubi e fullereni di carbonio. Utilizzato come additivo, il grafene può migliorare notevolmente le proprietà elettriche, fisiche, meccaniche e di barriera dei compositi polimerici a carichi estremamente bassi. (Xu, Suslick 2011)
Per le sue proprietà, il grafene è un materiale di superlativi e quindi promettente per le industrie che producono compositi, rivestimenti o microelettronica. Geim (2009) descrive sinteticamente il grafene come materiale superiore nel paragrafo seguente:
"E' il materiale piu' sottile dell'universo e il piu' forte mai misurato. I suoi supporti di carica presentano una mobilità intrinseca gigantesca, hanno la massa effettiva più piccola (è pari a zero) e possono percorrere lunghe distanze micrometriche senza disperdersi a temperatura ambiente. Il grafene è in grado di sopportare densità di corrente di 6 ordini superiori al rame, mostra una conducibilità termica e rigidità record, è impermeabile ai gas e concilia qualità contrastanti come la fragilità e la duttilità. Il trasporto di elettroni nel grafene è descritto da un'equazione simile a Dirac, che permette l'indagine dei fenomeni quantistici relativistici in un esperimento da banco".
Grazie alle eccezionali caratteristiche di questi materiali, il grafene è uno dei materiali più promettenti e si colloca al centro della ricerca sui nanomateriali.

Potenziali applicazioni per il grafene

Applicazioni biologiche: Un esempio per la preparazione di grafene ad ultrasuoni e il suo uso biologico è dato nello studio "Synthesis of Graphene-Gold Nanocomposites via Sonochemical Reduction" di Park et al. (2011), dove un nanocomposito da ridotto ossido di grafene - nanoparticelle di oro (Au) è stato sintetizzato riducendo simultaneamente gli ioni oro e depositando simultaneamente nanoparticelle di oro sulla superficie del ridotto ossido di grafene. Per facilitare la riduzione degli ioni d'oro e la generazione di funzionalità dell'ossigeno per l'ancoraggio delle nanoparticelle d'oro sull'ossido di grafene ridotto, è stata applicata un'irradiazione ultrasonica alla miscela di reagenti. La produzione di biomolecole aureo-legante-peptidico modificato biomolecole mostra il potenziale di irradiazione ultrasonica dei compositi di grafene e grafene. Quindi, l'ecografia sembra essere uno strumento adatto per preparare altre biomolecole.
Elettronica: Il grafene è un materiale altamente funzionale per il settore elettronico. Grazie all'elevata mobilità dei supporti di carica all'interno della griglia del grafene, il grafene è di massimo interesse per lo sviluppo di componenti elettronici veloci nella tecnologia ad alta frequenza.
Sensori: Il grafene esfoliato ad ultrasuoni può essere utilizzato per la produzione di sensori conduttometrici altamente sensibili e selettivi (la cui resistenza cambia rapidamente. >10 000% in vapore di etanolo saturo), e ultracondensatori con capacità specifica estremamente elevata (120 F/g), densità di potenza (105 kW/kg) e densità di energia (9,2 Wh/kg). (An et al. 2010)
Alcool: Per la produzione di alcool: Un'applicazione laterale può essere l'uso di grafene nella produzione di alcol, ci membrane grafene ci può essere utilizzato per distillare l'alcol e per rendere così bevande alcoliche più forte.
Essendo il materiale più forte, elettricamente conduttivo e uno dei materiali più leggeri e flessibili, il grafene è un materiale promettente per celle solari, catalisi, display trasparenti ed emissivi, risonatori micromeccanici, transistor, come catodo in batterie al litio aria, per rivelatori chimici ultrasensibili, rivestimenti conduttivi e l'uso come additivo in composti.

Il principio di funzionamento degli ultrasuoni ad alta potenza

Nel caso di liquidi sonori ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel liquido si traducono in cicli alternati di alta (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con frequenze variabili a seconda della frequenza. Durante il ciclo a bassa pressione, onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume al quale non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è chiamato cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature (ca. 5.000K) e pressioni (ca. 2.000atm) molto elevate. L'implosione della cavitazione La bolla produce anche getti di liquido con velocità fino a 280m/s. (Suslick 1998) La cavitazione generata ad ultrasuoni provoca effetti chimici e fisici, che possono essere applicati ai processi.
Indotta da cavitazione Sonochimica fornisce un'interazione unica tra energia e materia, con punti caldi all'interno delle bolle di ~5000 K, pressioni di ~1000 bar, velocità di riscaldamento e raffreddamento di ~1000 bar. >1010K s-1; queste condizioni straordinarie permettono di accedere ad una gamma di spazi di reazione chimica normalmente non accessibili, che permette la sintesi di un'ampia varietà di materiali nanostrutturati insoliti. (Bang 2010)