Graphenproduktioun mat Ultraschall

D’Ultraschallsynthes vu Graphen duerch d’Exfoliatioun vu Graphit ass déi zouverlässegst a virdeelhaftst Method, fir héichwäerteg Graphenschichten am industrielle Moossstaf ze produzéieren. D’Héichleeschtungs-Ultraschallprozessoren vun Hielscher loosse sech präzis steieren a kënne ganz héich Amplituden am 24/7-Betrib generéieren. Dat erméiglecht et, grouss Quantitéiten un onverännertem Graphen op eng einfach Manéier a mat kontrolléierbarer Gréisst hierzestellen.

Hierstellung vu Graphen mat Ultraschall

Zënter datt déi aussergewéinlech Eegenschafte vu Graphit bekannt sinn, goufe verschidde Methode fir seng Hierstellung entwéckelt. Dozou gehéiert och d’cheemesch Hierstellung vu Graphen aus Graphenoxid a méistufege Prozesser, fir déi ganz staark Oxidatiouns- a Reduktiounsmëttel néideg sinn. Ausserdeem enthält de Graphen, deen ënner dësen haarde cheemesche Bedéngungen hiergestallt gëtt, och no der Reduktioun dacks eng grouss Zuel un Defekter am Verglach zu Graphen, deen duerch aner Methode gewonne gëtt. Ultraschall ass awer eng bewäert Alternativ, fir héichwäertege Graphen och a grousse Quantitéiten ze produzéieren. Fuerscher hu liicht ënnerschiddlech Methode mat Ultraschall entwéckelt, mee am Allgemengen ass d’Graphenproduktioun en einfachen, eestufege Prozess.

Eng Héichvitess-Bildsequenz (vun a bis f), déi d’sonomechanesch Exfoliatioun vun enger Graphitflack am Waasser weist mat Hëllef vum UP200S, engem 200W Ultraschallapparat mat enger 3-mm Sonotrod. D’Feile weisen d’Plaz vun der Opspléckung (Exfoliatioun), wou Kavitatiounsblosen an de Spléck andréngen.
(Etüd a Biller: © Tyurnina et al. 2020

Virdeeler vun der Graphenexfoliatioun mat Ultraschall

D’Ultraschallapparater mat Sond an d’Reaktere vun Hielscher maachen aus der Graphenexfoliatioun en héicheffiziente Prozess, bei deem Graphen duerch den Asaz vu staarken Ultraschallwellen aus Graphit produzéiert gëtt. Dës Technik bitt verschidde Virdeeler géintiwwer anere Methode vun der Graphenproduktioun. Déi wichtegst Virdeeler vun der Graphenexfoliatioun mat Ultraschall sinn déi follgend:

• Héich Effizienz: D’Graphenexfoliatioun duerch Ultraschallbehandlung mat enger Sond ass eng ganz effizient Method fir d’Graphenproduktioun. Domat kënne grouss Quantitéiten un héichwäertegem Graphen a kuerzer Zäit produzéiert ginn.
• Niddreg Käschten: D’Ausrüstung, déi fir d’Exfoliatioun mat Ultraschall an der industrieller Graphenproduktioun néideg ass, ass relativ käschtegënschteg am Verglach zu anere Methode vun der Graphenproduktioun, wéi der cheemescher Gasphasendepositioun (CVD) an der mechanescher Exfoliatioun.
• Skaléierbarkeet: D’Exfoliatioun vu Graphen mat engem Ultraschallapparat léisst sech einfach fir d’Graphenproduktioun a groussem Moossstaf skaléieren. D’Exfoliatioun an d’Dispersioun vu Graphen mat Ultraschall kënne souwuel am Chargebetrib wéi och an engem kontinuéierlechen Inline-Prozess duerchgefouert ginn. Dat mécht dës Method zu enger praktikabeler Optioun fir Uwendungen am industrielle Moossstaf.
• Kontroll iwwer d’Eegenschafte vum Graphen: D’Exfoliatioun an d’Delaminatioun vu Graphen duerch Ultraschallbehandlung mat enger Sond erlaben eng präzis Kontroll iwwer d’Eegenschafte vum produzéierte Graphen. Dozou gehéiere seng Gréisst, seng Déckt an d’Zuel vu senge Schichten.
• Minimal Ëmweltbelaaschtung: D’Graphenexfoliatioun mat enger Ultraschallsond ass eng ëmweltschounend Method fir d’Graphenproduktioun, well se mat net gëftegen, ëmweltverdréigleche Léisungsmëttele wéi Waasser oder Ethanol agesat ka ginn. Dat bedeit, datt d’Graphendelaminatioun mat Ultraschall et erméiglecht, den Asaz vun aggressive Chemikalien oder héijen Temperaturen ze vermeiden oder ze reduzéieren. Dat mécht dës Method zu enger ëmweltfrëndlecher Alternativ zu anere Methode vun der Graphenproduktioun.

Insgesamt bitt d’Graphenexfoliatioun mat den Ultraschallapparater mat Sond an de Reaktere vun Hielscher eng käschtegënschteg, skaléierbar an ëmweltfrëndlech Method fir d’Graphenproduktioun mat präziser Kontroll iwwer d’Eegenschafte vum entstoende Material.

Beispill fir déi einfach Hierstellung vu Graphen mat Ultraschallbehandlung

Graphit gëtt an eng Mëschung aus verdënnter organescher Saier, Alkohol a Waasser bäiginn, an duerno gëtt d’Mëschung mat Ultraschall bestralt. D’Saier wierkt als e “molekulare Keil”, deen d’Graphenschichte vum Ausgangsgraphit trennt. Duerch dësen einfache Prozess entsteet eng grouss Quantitéit un onbeschiedegtem, héichwäertegem Graphen, deen am Waasser dispergéiert ass. (An et al. 2010)
 

Direkt Exfoliatioun vu Graphen

Ultraschall erméiglecht d’Hierstellung vu Graphenen an organesche Léisungsmëttelen, Tensid-/Waasserléisungen oder ionesche Flëssegkeeten. Dat bedeit, datt de Gebrauch vu staarken Oxidatiouns- oder Reduktiounsmëttele ka vermidde ginn. Stankovich et al. (2007) hunn Graphen duerch Exfoliatioun ënner Ultraschallbehandlung hiergestallt.
D’AFM-Biller vu Graphenoxid, dat duerch d’Ultraschallbehandlung bei Konzentratioune vun 1 mg/mL a Waasser exfoliéiert gouf, hunn ëmmer Blieder mat enger eenheetlecher Déckt gewisen (~1 nm; e Beispill ass am Bild hei drënner ze gesinn). Dës gutt exfoliéiert Graphenoxidprouwen hu keng Blieder enthalen, déi méi déck oder méi dënn wéi 1nm waren. Dat huet zu der Schlussfolgerung gefouert, datt ënner dëse Konditiounen tatsächlech eng komplett Exfoliatioun vu Graphenoxid bis op eenzel Graphenoxidblieder erreecht gouf. (Stankovich et al. 2007)

AFM-Bild vun exfoliéierte GO-Blieder mat dräi Héichteprofiller, déi op verschiddene Plazen opgeholl goufen
(Bild an Etüd: ©Stankovich et al., 2007)

Hierstellung vu Graphenblieder

Stengl et al. hunn déi erfollegräich Hierstellung vu renge Graphenblieder a grousse Quantitéite bei der Produktioun vun engem netstöchiometreschen TiO2-Graphen-Nanokomposit duerch thermesch Hydrolys vun enger Suspensioun mat Graphen-Nanoblieder an engem Titanoxid-Peroxokomplex gewisen. Déi reng Graphen-Nanoblieder goufen aus natierlechem Graphit mat engem héichintensive Kavitatiounsfeld hiergestallt, dat vum Hielscher Ultraschallprozessor UIP1000hd an engem Ultraschallreaktor ënner Drock bei 5 bar generéiert gouf. Déi gewonne Graphenblieder mat hirer héijer spezifescher Uewerfläch an hiren eenzegaartegen elektroneschen Eegenschafte kënnen als gutt Dréiermaterial fir TiO2 benotzt ginn, fir d’fotokatalytesch Aktivitéit ze erhéijen. D’Fuerschungsgrupp behaapt, datt d’Qualitéit vum mat Ultraschall hiergestallte Graphen vill méi héich ass wéi déi vu Graphen, dat mat der Hummer-Method gewonne gëtt, bei där Graphit exfoliéiert an oxidéiert gëtt. Well déi physikalesch Konditiounen am Ultraschallreaktor präzis kënne kontrolléiert ginn an ënner der Viraussetzung, datt d’Konzentratioun vu Graphen als Dotéierungsmëttel am Beräich vun 1 – 0,001% variéiere wäert, léisst sech d’Produktioun vu Graphen an engem kontinuéierleche System am kommerzielle Moossstaf einfach ariichten. Industriell Ultraschallapparater an Inline-Reaktore fir déi effizient Exfoliatioun vu qualitativ héichwäertegem Graphen si liicht verfügbar.

Hierstellung duerch Ultraschallbehandlung vu Graphenoxid

Oh et al. (2010) hunn en Hierstellungswee gewisen, bei deem Ultraschallbestralung benotzt gëtt, fir Graphenoxid-(GO)-Schichten hierzestellen. Dofir hu si fënnefanzwanzeg Milligramm Graphenoxidpolver an 200 ml deioniséiertem Waasser suspendéiert. Duerch Réieren hu si eng inhomogeen brong Suspensioun kritt. Déi doraus entstane Suspensioune goufe mat Ultraschall behandelt (30 min, 1,3 × 105J), an nom Dréchnen (bei 373 K) gouf dat mat Ultraschall behandelt Graphenoxid gewonn. Eng FTIR-Spektroskopie huet gewisen, datt d’Ultraschallbehandlung déi funktionell Gruppe vum Graphenoxid net verännert huet.

SEM-Bild vun onmodifizéierte Graphen-Nanoblieder, déi duerch Ultraschallbehandlung gewonne goufen (Oh et al., 2010)

Funktionaliséierung vu Graphenblieder

Xu a Suslick (2011) beschreiwen eng praktesch Method an engem eenzege Schrëtt fir d’Hierstellung vu mat Polystyrol funktionaliséiertem Graphit. An hirer Etüd hu si Graphitflacken a Styrol als Basisréistoffer benotzt. Duerch d’Beschallung vun de Graphitflacken a Styrol (engem reaktive Monomer) huet d’Ultraschallbestralung zu enger mechanochemescher Exfoliatioun vun de Graphitflacken zu Graphenblieder mat enger oder e puer Schichte gefouert. Gläichzäiteg gouf d’Funktionaliséierung vun de Graphenblieder mat de Polystyrolkette erreecht.
Dee selwechte Funktionaliséierungsprozess ka mat anere Vinylmonomere fir Verbondmaterialien op Graphenbasis duerchgefouert ginn.

Graphendispersiounen

Den Dispersiounsgrad vu Graphen a Graphenoxid ass extrem wichteg, fir dat vollt Potenzial vu Graphen mat senge spezifeschen Eegenschaften ze notzen. Wa Graphen net ënner kontrolléierte Bedéngungen dispergéiert gëtt, kann d’Polydispersitéit vun der Graphendispersioun zu engem onberechenbaren oder net ideale Verhale féieren, soubal de Graphen an Apparater integréiert gëtt, well seng Eegenschafte mat senge strukturelle Parameter variéieren. D’Beschallung ass eng bewäert Behandlung, fir d’Kräften tëscht de Schichten ofzeschwächen, an erméiglecht eng genee Kontroll vun de wichtege Veraarbechtungsparameter.
„Bei Graphenoxid (GO), dat typescherweis zu Blieder mat enger eenzeger Schicht exfoliéiert gëtt, entsteet eng vun den Haapterausfuerderunge vun der Polydispersitéit duerch Variatiounen an der lateraler Fläch vun de Flacken. Et gouf gewisen, datt déi mëttel lateral Gréisst vu GO vu 400 nm op 20 μm verréckelt ka ginn, andeems d’Graphit-Ausgangsmaterial an d’Beschallungsbedéngunge geännert ginn.“ (Green et al. 2010)
D’Dispergéiere vu Graphen mat Ultraschall, dat zu feinen a gläichméissege kolloidale Suspensioune féiert, gouf a verschiddenen aneren Etüden nogewisen. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) hu gewisen, datt duerch den Asaz vun Ultraschall eng stabil Graphendispersioun mat enger héijer Konzentratioun vun 1 mg·mL−1 a relativ reng Graphenblieder erreecht ginn, an déi esou hiergestallt Graphenblieder weisen eng héich elektresch Leetfäegkeet vun 712 S·m⁻¹. D’Resultater vun der Ënnersichung vu Fourier-transforméierten Infraroutspektren a Ramanspektren hunn drop higewisen, datt d’Hierstellungsmethod mat Ultraschall manner Schied un de chemeschen a kristalline Strukture vu Graphen verursaacht.

Héichleeschtungs-Ultraschallapparater fir d’Exfoliatioun vu Graphen

Fir d’Hierstellung vu qualitativ héichwäertege Graphen-Nanoblieder ass zouverlässeg Héichleeschtungs-Ultraschallausrüstung néideg. Amplitud, Drock an Temperatur si wesentlech Parameter, déi fir d’Reproduzéierbarkeet an eng konstant Produktqualitéit entscheedend sinn. D’Ultraschallprozessoren vun Hielscher Ultrasonics si leeschtungsstaark a prezis steierbar Systemer, déi eng genee Astellung vun de Prozessparameter an eng kontinuéierlech Ofgab vu leeschtungsstaarkem Ultraschall erméiglechen. Déi industriell Ultraschallprozessoren vun Hielscher Ultrasonics kënne ganz héich Amplitudë liwweren. Amplitudë vu bis zu 200µm kënne problemlos kontinuéierlech am 24/7-Betrib agesat ginn. Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel. D’Robustheet vun der Ultraschallausrüstung vun Hielscher erméiglecht e 24/7-Betrib ënner héijer Belaaschtung an an usprochsvollen Ëmfeld.
Eis Clientë si mat der aussergewéinlecher Robustheet an Zouverlässegkeet vun de Systemer vun Hielscher Ultrasonics zefridden. D’Installatioun a Beräicher mat héijer Belaaschtung, an usprochsvollen Ëmfeld an am 24/7-Betrib garantéiert eng effizient a wirtschaftlech Veraarbechtung. D’Intensivéierung vu Prozesser duerch Ultraschall verkierzt d’Veraarbechtungszäit an erreecht besser Resultater, dat heescht méi héich Qualitéit, méi héich Ausbezuelen an innovativ Produkter.
Déi follgend Tabell gëtt Iech eng Indikatioun vun der ongeféierer Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:

Hierstellung vu Kuelestoff-Nanorullen

Kuelestoff-Nanorulle sinn änlech wéi méiwandeg Kuelestoff-Nanoréier. Den Ënnerscheed zu MWCNTs besteet an den oppenen Ennen an der voller Zougänglechkeet vun de bannenzegen Uewerfläche fir aner Moleküllen. Si kënne mat naasschemesche Methode synthetiséiert ginn, andeems Kalium an de Graphit interkaléiert gëtt, de Graphit am Waasser exfoliéiert gëtt an déi kolloidal Suspensioun mat Ultraschall behandelt gëtt. (cf. Viculis et al. 2003) D’Ultraschallbehandlung ënnerstëtzt d’Oprulle vun de Graphen-Monoschichten zu Kuelestoff-Nanorullen (kuckt d’Grafik hei ënnen). Et gouf eng héich Ëmwandlungseffizienz vun 80% erreecht, wat d’Produktioun vun Nanorulle fir kommerziell Uwendungen interessant mécht.

Ultraschallsynthes vu Kuelestoff-Nanorullen (Viculis et al. 2003)

Hierstellung vun Nanobänner

D’Fuerschungsgrupp vum Hongjie Dai a senge Kolleegen op der Stanford University huet eng Technik fir d’Hierstellung vun Nanobänner fonnt. Graphenbänner sinn dënn Sträife vu Graphen, déi nach méi nëtzlech Eegenschafte wéi Graphenblieder kéinten hunn. Bei Breeten vun ongeféier 10 nm oder manner verhale sech d’Graphenbänner änlech wéi en Hallefleeder, well d’Elektrone gezwonge ginn, sech a Längsrichtung ze beweegen. Dofir kéint et interessant sinn, Nanobänner mat hallefleederänleche Funktiounen an der Elektronik anzesetzen (z. B. fir méi kleng, méi séier Computerchippen).
D’Hierstellung vu Graphen-Nanobänner no Dai et al. baséiert op zwee Schrëtt: Als Éischt hu si d’Graphenschichten duerch eng Hëtztbehandlung bei 1000ºC fir eng Minutt an 3% Waasserstoff an Argongas aus dem Graphit geléist. Duerno gouf de Graphen mat Ultraschall a Sträifen zerdeelt. D’Nanobänner, déi mat dëser Technik gewonnen goufen, zeechne sech duerch vill méi ‘glat’ Kanten aus wéi déi, déi mat konventionelle lithografesche Methode produzéiert goufen. (Jiao et al. 2009)