水を用いたグラフェンの剥離
超音波剥離では、苛酷な溶媒を使用せず、純水だけで数層グラフェンを製造できます。高出力の超音波処理により、短時間の処理でグラフェンシートを層間剥離できます。溶媒を使用しないことで、グラフェン剥離は環境に配慮した持続可能なプロセスとなります。
液相剥離によるグラフェン製造
グラフェンは、いわゆる液相剥離によって商業的に製造されています。グラフェンの液相剥離には、毒性があり、環境に有害で高価な溶媒を使用する必要があります。これらの溶媒は、化学的な前処理に使用されるか、機械的な分散技術と組み合わせて使用されます。グラフェンシートの機械的分散において、超音波処理は、高品質なグラフェンシートを本格的な工業規模で大量に製造するための、信頼性が非常に高く、効率的で安全な技術として確立されています。苛酷な溶媒の使用には、常にコスト、汚染、複雑な除去と廃棄、安全上の懸念、環境負荷が伴うため、毒性がなく、より安全な代替手段には大きな利点があります。そのため、水を溶媒として使用し、強力超音波によって数層グラフェンシートを機械的に層間剥離する方法は、環境に配慮したグラフェン製造のための非常に有望な技術です。
グラフェンナノシートを分散させる液相としてよく使用される一般的な溶媒には、ジメチルスルホキシド（DMSO）、N,N-dimethylformamide（DMF）、N-methyl-2-pyrrolidone（NMP）、テトラメチル尿素（TMU）、テトラヒドロフラン（THF）、propylene carbonateacetone（PC）、エタノール、ホルムアミドがあります。
超音波処理は、商業規模でのグラフェン剥離技術として既に長年にわたり確立されており、高純度で高品質なグラフェンを低コストで製造できます。超音波によるグラフェン剥離は、どのような処理量にも完全に線形にスケールアップできるため、高品質なグラフェンフレークの生産収量をグラフェンの大量生産に容易に適用できます。
UIP2000hdTは2kWの強力な超音波分散装置で、 グラフェンの剥離と分散に使用されます。
水中でのグラフェンの超音波剥離
Tyurnina et al. (2020)は、純水と黒鉛からなる溶液、およびその結果として生じるグラフェンの剥離に対する振幅と超音波処理強度の影響を調査しました。この研究では、Hielscher UP200S（200W、24kHz）を使用しました。水を用いた超音波剥離を、数層グラフェンの層間剥離のための単一工程として適用しました。開放型ビーカーを用いた超音波処理構成では、2hの短時間処理で数層グラフェンを製造するのに十分でした。
水中の黒鉛フレークの超音波機械的剥離を示す高速連続画像（aからf）は、 3-mmのソノトロードを備えた24 kHzの超音波装置UP200sを用いたものです。 矢印は、キャビテーション気泡が入り込んでいる分裂部（剥離部）を示しています。
© Tyurnina et al., 2020
グラフェンの超音波剥離の最適化
Tyurnina et al. (2020)が使用した超音波処理構成は、密閉型超音波リアクターをフロースルーモードで使用することで、効率を高め、剥離を速めるよう容易に最適化できます。超音波インライン処理により、すべての黒鉛原料を大幅に均一な超音波処理にかけることができます。黒鉛 / 水の溶液を超音波キャビテーションが生じる限定された空間に直接供給することで、すべての黒鉛が均一に超音波処理され、高品質なグラフェンフレークが高収率で得られます。
Hielscher Ultrasonicsのシステムでは、振幅、時間 / 滞留時間、投入エネルギー（Ws/mL）、圧力、温度など、すべての重要な処理パラメーターを精密に制御できます。最適な超音波パラメーターを設定することで、最高の収率、品質、総合効率が得られます。
超音波処理はどのようにグラフェンの剥離を促進するのか
黒鉛粉末と水または任意の溶媒からなるスラリーに高出力の超音波を結合すると、高いせん断、激しい乱流、大きな圧力差と温度差などの超音波機械的な力により、エネルギー密度の高い条件が生じます。このエネルギー密度の高い条件は、音響キャビテーションという現象によって生じます。
超音波キャビテーションの詳細はこちらをご覧ください！
強力超音波は、黒鉛を構成するグラフェン層の間に流体を押し込むことで、黒鉛粉末の膨張を開始させます。超音波によるせん断力が個々のグラフェンシートを層間剥離し、溶液中にグラフェンフレークとして分散させます。水中のグラフェンの長期安定性を得るには、界面活性剤が必要です。
グラフェンの超音波液相剥離のメカニズム。
研究および画像：Tyurnina et al., 2021。
グラフェン剥離用の高性能超音波装置
Hielscherの超音波装置のスマート機能は、信頼性の高い運転、再現性のある結果、使いやすさを保証するよう設計されています。操作設定には、デジタルカラータッチディスプレイとブラウザーによる遠隔操作から利用できる直感的なメニューを介して、容易にアクセスし、設定できます。そのため、正味エネルギー、総エネルギー、振幅、時間、圧力、温度など、すべての処理条件が内蔵SDカードに自動的に記録されます。これにより、過去の超音波処理を見直して比較し、グラフェン剥離プロセスを最高の効率に最適化できます。
Hielscher Ultrasonicsのシステムは、高品質なグラフェンシートと酸化グラフェンの製造に世界中で使用されています。Hielscherの工業用超音波装置は、連続運転（24/7/365）で高振幅を容易に維持できます。最大200µmの振幅を容易に連続して発生させるには、標準のソノトロード（超音波プローブ / ホーンおよび CascatrodeTM）を使用できます。さらに高い振幅には、特注の超音波ソノトロードをご用意しています。当社の超音波剥離システムは、堅牢でメンテナンスの手間が少ないため、高負荷の用途や厳しい環境で広く導入されています。
グラフェン剥離用のHielscher超音波プロセッサーは、既に世界中で商業規模で導入されています。グラフェンの製造プロセスについて、今すぐお問い合わせください！経験豊富なスタッフが、剥離プロセス、超音波システム、価格に関する詳しい情報をご案内いたします！
超音波によるグラフェンの合成、分散、機能化について詳しくは、こちらをクリックしてください：
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 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. | さらに大きい流量 | クラスター構成の UIP16000 |
お問い合わせ / ご質問はこちら！
Hielscher Ultrasonicsは、研究室規模、パイロット規模、工業規模での混合用途、分散、乳化、抽出に使用する高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献 / 参考資料
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin (2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon Vol. 168, 2020. 737-747.
(Available under a Creative Commons Attribution 4.0: CC BY-NC-ND 4.0. See full terms here.) - Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Štengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
知っておきたい基礎知識
グラフェンとは？
グラフェンはsp2-結合した炭素原子の単原子層です。グラフェンは、非常に大きな比表面積（2620 m2 g-1）、1 TPaのヤング率と130 GPaの固有強度を持つ優れた機械的特性、極めて高い電気伝導性（室温での電子移動度2.5 × 105 cm2 V-1 s-1）、非常に高い熱伝導率（3000 W m K-1超）など、主要な特性だけでも独自の材料特性を備えています。こうした優れた材料特性により、グラフェンは、高性能な電池、燃料電池、太陽電池、スーパーキャパシター、水素貯蔵システム、電磁シールド、電子デバイスの開発と製造に広く使用されています。さらに、グラフェンは、多くのナノ複合材料や複合材料に補強添加剤として配合されており、例えばポリマー、セラミックス、金属マトリックスなどに使用されています。高い伝導性により、グラフェンは導電性塗料やインクの重要な成分となっています。
欠陥のないグラフェンを低コストで大量に、迅速かつ安全に超音波で調製できることにより、グラフェンの用途をますます多くの産業に広げることができます。
グラフェンは炭素からなる原子一個分の厚さの層であり、グラフェンの単層構造または2D構造として表すことができます（単層グラフェン = SLG）。グラフェンは、非常に大きな比表面積と優れた機械的特性（ヤング率1 TPa、固有強度130 GPa）を持ち、優れた電気伝導性と熱伝導性、電荷キャリア移動度、透明性を備え、気体を透過しません。これらの材料特性により、グラフェンは、複合材料に強度や伝導性などを付与する補強添加剤として使用されます。グラフェンの特性を他の材料と組み合わせるには、グラフェンを配合物中に分散させるか、基材上に薄膜コーティングとして塗布する必要があります。
高性能な超音波技術！Hielscherの製品ラインナップは、コンパクトな研究室用超音波装置から卓上型装置、本格的な工業用超音波システムまで、全範囲を網羅しています。