水ベースのグラフェン剥離
超音波剥離では、刺激の強い溶媒を使用することなく、純水のみで数層のグラフェンを製造することができる。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剥離する。溶媒を使用しないため、グラフェン剥離は環境に優しい持続可能なプロセスとなる。
液相剥離法によるグラフェン製造
グラフェンは、いわゆる液相剥離法によって商業的に製造されている。グラフェンの液相剥離には、有毒で環境に有害な高価な溶媒を使用する必要があり、化学的前処理として、あるいは機械的分散技術と組み合わせて／あるいは機械的分散技術と併用して使用される。グラフェンシートを機械的に分散させる方法としては、信頼性が高く、効率的で安全な技術として超音波処理が確立されており、高品質のグラフェンシートを完全に工業的なレベルで大量に生産することができる。過酷な溶媒の使用は、コスト、汚染、複雑な除去・廃棄、安全性への懸念、環境への負荷を常に伴う。従って、水を溶媒として使用し、超音波を用いて数層のグラフェンシートを機械的に剥離するグラフェン剥離法は、グリーン・グラフェン製造のための有望な技術である。
グラフェンナノシートを分散させる液相としてよく用いられる溶媒には、ジメチルスルホキシド（DMSO）、N,N-ジメチルホルムアミド（DMF）、N-メチル-2-ピロリドン（NMP）、テトラメチル尿素（TMU）、テトラヒドロフラン（THF）、プロピレンカーボネートアセトン（PC）、エタノール、ホルムアミドなどがある。
商業規模でのグラフェン剥離技術としてすでに長期にわたって確立されている超音波法は、高純度の高品質グラフェンを低コストで製造することが可能である。超音波グラフェン剥離は、あらゆる体積に完全にリニアにスケールアップできるため、高品質のグラフェン薄片の生産収率は、グラフェンの大量生産に容易に導入できる。
UIP2000hdTは2kWの強力な超音波分散機です。 グラフェンの剥離と分散に用いる。
水中でのグラフェンの超音波剥離
Tyurninaら（2020）は、純水-グラファイト溶液とその結果生じるグラフェン剥離に対する超音波処理の振幅と強度の影響を調べた。この研究では、Hielscher UP200S（200W、24kHz）を使用した。水を用いた超音波剥離は、数層のグラフェン剥離のためのシングルステッププロセスとして適用された。オープンビーカーの超音波処理セットアップでは、2時間の短時間処理で数層のグラフェンを生成できた。
水中でのグラファイト薄片の超音波機械的剥離を示すフレームの高速シーケンス（aからf）。 3mmのソノトロードを備えた24kHzの超音波発生装置UP200sを使用。 矢印は、キャビテーション気泡が貫通した割れ目（剥離）の場所を示す。
Tyurnina et al, 2020
超音波グラフェン剥離の最適化
Tyurninaら(2020)が使用した超音波セットアップは、フロースルー・モードの密閉型超音波リアクターを使用することで、より効率的かつ高速な剥離のために容易に最適化することができる。超音波インライン処理では、すべてのグラファイト原料をより均一に超音波処理することができる。グラファイト／水溶液を超音波キャビテーションの限られた空間に直接供給することで、すべてのグラファイトが均一に超音波処理され、高品質のグラフェンフレークが高収率で得られる。
Hielscher社の超音波処理システムは、振幅、時間/保持、エネルギー入力（Ws/mL）、圧力、温度など、すべての重要な処理パラメーターを正確に制御することができます。最適な超音波パラメーターを設定することで、最高の歩留まり、品質、全体的な効率を実現します。
超音波によるグラフェン剥離の促進メカニズム
高出力の超音波がグラファイト粉末と水または任意の溶媒のスラリーに結合されると、高いせん断力、激しい乱流、高い圧力・温度差などのソノメカニカルな力がエネルギー強度の高い状態を作り出します。これらのエネルギー強度の高い状態は、音響キャビテーション現象の結果です。
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グラファイトを構成するグラフェン層の間に液体が押し込まれるため、超音波の力によってグラファイト粉末が膨張する。超音波のせん断力によってグラフェンの一枚板が剥離し、溶液中にグラフェンフレークとして分散する。グラフェンの水中での長期安定性を得るためには、界面活性剤が必要である。
グラフェン剥離の超音波液相剥離のメカニズム。
2021年、ティルニナらによる研究と写真。
グラフェン剥離のための高性能超音波発生装置
Hielscher社製超音波発生装置のスマートな機能は、信頼性の高い操作、再現性の高い結果、使いやすさを保証するように設計されています。操作設定は、デジタルカラータッチディスプレイとブラウザリモコンからアクセスできる直感的なメニューから簡単にアクセスし、呼び出すことができます。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修正・比較し、グラフェン剥離プロセスを最高効率に最適化することができます。
Hielscher社の超音波装置は、高品質のグラフェンシートや酸化グラフェンの製造に世界中で使用されています。Hielscher社の工業用超音波装置は、連続運転（24時間365日）で高振幅を容易に発生させることができます。標準的なソノトロード(超音波プローブ/ホーン、超音波振動子)を使用すれば、最大200μmの振幅を簡単に連続発生させることができます。 カスカトロTM).さらに高い振幅を必要とする場合は、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご利用いただけます。当社の超音波剥離システムは、その堅牢性と低メンテナンス性から、重負荷用途や過酷な環境での設置が一般的です。
Hielscher社のグラフェン剥離用超音波プロセッサーは、すでに商業規模で世界中に設置されています。グラフェン製造プロセスについて、今すぐご相談ください！経験豊富なスタッフが、剥離プロセス、超音波システム、価格に関する詳細情報を喜んで共有させていただきます！
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| バッチ量 | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 1〜500mL | 10～200mL/分 | UP100H |
| 10〜2000mL | 20～400mL/分 | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1～20L | 0.2～4L/分 | UIP2000hdT |
| 10～100L | 2～10L/分 | UIP4000hdT |
| n.a. | 10～100L/分 | uip16000 |
| n.a. | より大きい | クラスタ uip16000 |
お問い合わせ/ お問い合わせ
Hielscher Ultrasonics社は、ラボスケール、パイロットスケール、工業スケールの混合アプリケーション、分散、乳化、抽出用の高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献・参考文献
- 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.
知っておくべき事実
グラフェンとは何か？
グラフェンは、単分子膜で構成されている。2-結合した炭素原子。グラフェンは、非常に大きな比表面積（2620 m2g-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、極めて高い電子伝導性（室温での電子移動度は2.5×105 cm2 V-1s-1)、非常に高い熱伝導率(3000W m K以上)-1)など、最も重要な特性を挙げることができる。その優れた材料特性から、グラフェンは高性能バッテリー、燃料電池、太陽電池、スーパーキャパシター、水素貯蔵、電磁シールド、電子デバイスなどの開発・製造に多用されている。さらに、グラフェンは多くのナノ複合材料や複合材料に、ポリマー、セラミックス、金属マトリックスなどの強化添加剤として組み込まれている。グラフェンはその高い導電性により、導電性塗料やインクの重要な成分となっている。
欠陥のないグラフェンを迅速かつ安全に、低コストで大量に超音波調製することで、グラフェンの用途をより多くの産業に広げることができる。
グラフェンは1原子厚の炭素層であり、単層または2次元構造のグラフェン（単層グラフェン＝SLG）と表現される。グラフェンは、比表面積が非常に大きく、優れた機械的特性（ヤング率1TPa、固有強度130GPa）を持ち、電子伝導性、熱伝導性、電荷キャリア移動度、透明性に優れ、ガスを透過しない。このような材料特性から、グラフェンは複合材料に強度や導電性などを付与するための強化添加剤として使用されている。グラフェンの特性を他の材料と組み合わせるには、グラフェンを化合物中に分散させるか、薄膜コーティングとして基板上に塗布する必要がある。
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