Eénlaagse grafeen op industriële schaal met ultrasone afschilfering
Grafeen is een van de meest opwindende materialen van de moderne wetenschap geworden – en daar is een goede reden voor. Het is niet alleen “een ander koolstofmateriaal.” Grafeen is een enkele atoomlaag van koolstof gerangschikt in een perfect geordend honingraatrooster, en deze schijnbaar eenvoudige structuur produceert een verbazingwekkende combinatie van eigenschappen waar maar weinig materialen aan kunnen tippen.
De uitdaging is altijd: Hoe produceren we efficiënt, consistent en in industriële hoeveelheden éénlaags grafeen van hoge kwaliteit?
Dit is waar hoogwaardige ultrasone peeling – vooral met Hielscher sonicators van het sonde-type – biedt een praktisch en schaalbaar antwoord.
Het probleem: éénlaagse grafeen produceren op schaal
Grafeen bestaat van nature in grafiet, waar miljoenen lagen grafeen dicht op elkaar gestapeld zijn. Deze lagen worden vastgehouden door sterke interlaagse krachten (van der Waals interacties), waardoor ze moeilijk zuiver te scheiden zijn.
Het doel is duidelijk:
- Hoge opbrengst van enkellaags grafeen
- Minimale schade aan het grafeenrooster
- Uniforme velgrootte en morfologie
- Schaalbaar tot industriële volumes
- Kosteneffectief en duurzaam voor het milieu
Traditionele methoden hebben moeite om aan al deze eisen tegelijk te voldoen.
Ultrasone afschilfering van grafeen
Waarom conventionele peelingmethoden tekortschieten
Conventionele exfoliatiemethoden zijn mechanische, chemische en vloeibare-fase-exfoliatie. Al deze methoden hebben beperkingen die de productie van grafeen inefficiënt en/of gevaarlijk maken.
Mechanische afschilfering
De meest prominente mechanische techniek is de beroemde “Scotch tape” methode. Het kan ongerept grafeen produceren, maar:
- de opbrengsten zijn extreem laag
- vellen zijn onregelmatig
- volledig onpraktisch voor productie
Chemische afschilfering
Bij deze methode worden sterke zuren en oxidatiemiddelen gebruikt om de laagverbindingen te verbreken, maar:
- introduceert onzuiverheden en defecten
- genereert chemisch afval
- verhoogt de kosten door oplosmiddelen, chemicaliën en afvalverwijdering
- verandert de grafeenchemie (vaak permanent)
Conventionele peeling in vloeibare fase
Deze aanpak is beter schaalbaar, maar vereist vaak:
- speciale oplosmiddelen zoals N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) of dimethylformamide (DMF)
- lange verwerkingstijden
- beperkte opbrengst en procesefficiëntie zonder hoge energie-input
Hoge-res TEM-afbeeldingen van grafeen nanosheets
via de ultrasone methode van Hummer.
(Studie en grafiek: Ghanem en Rehim, 2018)
Ultrasone productie van grafeen: De industriële weg vooruit
Ultrasone grafeen synthese wordt zeer effectief bij gebruik van krachtige sonicatie, waarbij energie direct in de suspensie wordt gebracht. – veel efficiënter dan sonicatie in een bad.
In de praktijk ondersteunt ultrageluid de productie van grafeen via twee hoofdroutes:
Methode 1: Ultrasoon ondersteunde Hummers’ Methode (grafeenoxide)
De Hummers’ methode is een chemische route waarbij grafiet wordt geoxideerd met een mengsel van sterke zuren en oxidatiemiddelen, meestal zwavelzuur, salpeterzuur en kaliumpermanganaat. Tijdens deze reactie worden zuurstofhoudende functionele groepen zoals hydroxyl-, epoxide- en carboxylgroepen in het koolstofrooster gebracht. Het resultaat is grafeenoxide (GO), een chemisch gemodificeerd derivaat van grafeen.
Wanneer tijdens dit proces ultrasoon geluid wordt toegepast, wordt de reactie-efficiëntie aanzienlijk verbeterd. Ultrasone agitatie verbetert de massaoverdracht tussen reactanten en grafietdeeltjes, wat zorgt voor een meer uniforme oxidatie. Tegelijkertijd bevorderen door cavitatie veroorzaakte schuifkrachten de scheiding van geoxideerde grafietlagen in afzonderlijke vellen, waardoor exfoliatie wordt versneld en de dispersiekwaliteit wordt verbeterd.
Wat echografie hier doet:
- verbetert de massaoverdracht
- versnelt dispersie
- helpt geoxideerde lagen te scheiden in losse vellen
Het product van deze methode is grafeenoxide in de vorm van vellen met één of enkele lagen die gemakkelijk dispergeren in water vanwege hun hydrofiele oppervlaktechemie. Door de toegevoegde functionele groepen is grafeenoxide zeer reactief en zeer geschikt voor daaropvolgende chemische functionalisering, composietintegratie of reductie tot gemodificeerde grafeenstructuren.
Wat de ultrasoon-gestuurde methode van Hummer oplevert:
- vellen grafeenoxide
- hydrofiele dispersies in water
- een chemisch gemodificeerde vorm van grafeen geschikt voor functionalisatie
Deze benadering is vooral geschikt wanneer het doel niet ongerept grafeen is, maar eerder een oppervlakteactief, chemisch afstembaar materiaal dat ontworpen is voor verdere modificatie of specifieke interfaciale toepassingen.
Grafische weergave van grafeen synthese bereid met de Hummer-methode en dispersietechniek met natriumdodecylbenzeensulfonaat (SDS): (A) grafietstructuur; (B) gedispergeerde grafeen nanoplaatjes de sonicator UP100H gebruikenC) gereduceerd grafeenoxide en D) grafeenoxide.
(Studie en grafiek: Ghanem en Rehim, 2018)
Methode 2: Ultrasone vloeistoffase-exfoliatie (ongerept grafeen)
Bij ultrasone exfoliatie in vloeibare fase wordt grafiet in bulk gedispergeerd in een geschikt oplosmiddel - meestal N-methyl-2-pyrrolidon (NMP) of dimethylformamide (DMF) - en onderworpen aan ultrasoon geluid met een hoog vermogen. In tegenstelling tot oxidatieve methoden is dit proces eerder fysisch dan chemisch.
De toegepaste ultrasone energie genereert intense cavitatiekrachten in de vloeistof. Deze krachten overwinnen de van der Waals interacties die de grafeenlagen bij elkaar houden, waardoor het grafiet fysiek loslaat in afzonderlijke grafeenvellen. Naarmate de exfoliatie vordert, worden stabiele dispersies van grafeennanosheets gevormd in het oplosmedium.
Wat echografie hier doet:
- delamineert grafiet fysiek
- scheidt afzonderlijke lagen grafeen
- vormt stabiele grafeen-dispersies
Deze methode heeft de voorkeur als het primaire doel is om de integriteit van het oorspronkelijke sp²-koolstofrooster te behouden. Omdat er geen agressieve oxidatiemiddelen aan te pas komen, kunnen de kristallijne structuur en de intrinsieke elektrische en mechanische eigenschappen van grafeen veel beter behouden blijven. Bovendien is ultrasone vloeistoffase-exfoliatie zeer geschikt voor schaalbare productie, waardoor een betrouwbare overgang mogelijk is van laboratoriumonderzoek naar industriële productie met behoud van productconsistentie.
Deze aanpak heeft de voorkeur als je doel is:
- Het oorspronkelijke sp²-rooster behouden
- Grafeennanosheets van hoge kwaliteit produceren
- Productie betrouwbaar opschalen
Samengevat, terwijl de Hummers’ methode prioriteit geeft aan chemische modificatie, richt ultrasone vloeibare-fase-exfoliatie zich op structuurbehoud en de productie van hoogwaardige grafeen-nanosheets.
Een reeks beelden op hoge snelheid (van a tot f) ter illustratie van sonomexfoliatie van een grafietschilfer in water met behulp van de UP200S, een 200 W ultrasoonapparaat met een sonotrode van 3 mm. Pijlen tonen de plaats van splitsing (exfoliatie) met cavitatiebellen die de splitsing binnendringen.
(Studie en foto's: © Tyurnina et al. 2020
De juiste route kiezen: Behouden of Aanpassen?
Een eenvoudige vraag bepaalt de beste methode:
Wil je ongerept grafeen – of gefunctionaliseerd grafeenoxide?
Exfoliatie in vloeibare fase richt zich op het behoud van het rooster en het voorzichtig overwinnen van interlaagse krachten.
Hummers’ De methode verandert opzettelijk de chemie door zuurstofgroepen en defecten te introduceren, en ultrageluid verbetert vooral de dispersie in plaats van de structuur te beschermen.
Dit verschil heeft een grote invloed op de prestaties en toepassingsmogelijkheden van het uiteindelijke grafeen.
Industriële sonicator UIP16000hdT voor exfoliatie en nanodispersie bij hoge doorvoer
Waarom ultrasone peeling uitblinkt voor industrieel grafeen
Vergeleken met conventionele exfoliatiemethoden biedt ultrasone vloeistoffase-exfoliatie een zeldzame combinatie van efficiëntie, productkwaliteit en industriële schaalbaarheid.
Een van de belangrijkste voordelen is het hoge exfoliatierendement. Onder geoptimaliseerde verwerkingsomstandigheden kan ultrasone cavitatie grafeenvellen met opmerkelijk hoge efficiëntie van grafiet scheiden, waarbij vaak voornamelijk materiaal met één laag wordt verkregen. Dit is een aanzienlijke verbetering ten opzichte van mechanische exfoliatie, die slechts minimale hoeveelheden bruikbaar grafeen oplevert.
Uniformiteit is een andere doorslaggevende factor. Omdat het cavitatieproces zorgvuldig gecontroleerd kan worden, vertonen de resulterende grafeenvellen vaak een consistente dikte en morfologie. Deze reproduceerbaarheid is essentieel voor industriële toepassingen waar de consistentie van het materiaal direct van invloed is op de productprestaties.
Ultrasone verwerking onderscheidt zich verder door schaalbaarheid. Wat werkt in een laboratoriumbeker kan worden overgebracht naar pilotschaal en uiteindelijk naar industriële inline productie. Met continue ultrasone flowreactoren kunnen grote hoeveelheden grafietdispersie worden verwerkt onder gecontroleerde en herhaalbare omstandigheden, waardoor de technologie commercieel levensvatbaar wordt.
Procesregeling voegt nog een laag flexibiliteit toe. Parameters zoals amplitude, ultrasoon vermogen, druk, temperatuur en verblijftijd kunnen nauwkeurig worden ingesteld. Dit stelt fabrikanten in staat om de eigenschappen van grafeen aan te passen aan specifieke toepassingseisen met behoud van reproduceerbaarheid.
Tot slot kan ultrasone vloeistoffase-exfoliatie worden uitgevoerd met duurzamere oplosmiddelsystemen. Afhankelijk van de formulering en doeltoepassing kunnen systemen op ethanolbasis, ionische vloeistoffen of zelfs waterige media worden gebruikt, wat voordelen biedt voor het milieu en de regelgeving in vergelijking met sterk oxidatieve chemische routes.
Waarom Hielscher Sonificators ideaal zijn voor het verwijderen van grafeen
Hielscher Ultrasonics biedt een volledig technologieplatform dat specifiek geschikt is voor de verwerking van grafeen.
De belangrijkste voordelen zijn:
- ultrasoon geluid van het sonde-type (veel efficiënter dan sonicatie in een bad)
- schaalbaar van handheld- en benchtopsystemen tot industriële 24/7-reactoren
- nauwkeurige regeling van amplitude, vermogen en druk
- robuuste, industriële constructie voor continu gebruik
Batch versus inline verwerking: Van laboratorium tot fabriek
De systemen van Hielscher ondersteunen zowel batch- als inlineverwerking, waardoor een naadloze overgang van onderzoek naar productie mogelijk is.
Batchsonicatie is eenvoudig te implementeren en bijzonder geschikt voor laboratoriumonderzoek, formuleringontwikkeling en kleinschalige grafeenproductie. Het biedt flexibiliteit en snelle parameteroptimalisatie, waardoor het ideaal is voor procesontwikkeling in een vroeg stadium.
Voor productie op industriële schaal wordt echter meestal de voorkeur gegeven aan inline verwerking. In deze configuratie wordt de grafietdispersie continu door een ultrasone flowcelreactor gepompt. Dit zorgt voor een gelijkmatige blootstelling aan cavitatiekrachten, wat resulteert in een consistente exfoliatiekwaliteit en een hoge verwerkingscapaciteit. In combinatie met drukreactoren kan de cavitatie-intensiteit verder worden verhoogd, waardoor de exfoliatie-efficiëntie en productiviteit toenemen.
Het modulaire ontwerp van Hielscher systemen stelt bedrijven in staat om te beginnen met experimenten op laboratoriumschaal en uit te breiden naar volledig continue, 24/7 industriële productie zonder het onderliggende technologieplatform te veranderen.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 0.5 tot 1.5mL | n.v.t. | VialTweeter |
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000hdT |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000hdT |
Voorbij grafeen: ultrageluid voor 2D-materialen (“xenes”)
Ultrasone exfoliatie is niet beperkt tot grafeen.
Het wordt ook veel gebruikt voor de productie van xenenen, de enkellaags 2D-analogen van grafeen:
- Borofeen (en borofeennanobonen / borofeenoxide)
- MXenen (2D overgangsmetaalcarbiden, nitriden, carbonitriden)
- Bismutheen (bekend om elektrokatalyse en biocompatibiliteit)
- Siliceen (grafeenachtig 2D silicium)
Hetzelfde cavitatiemechanisme maakt ultrageluid een van de meest schaalbare routes voor veel gelaagde 2D-materialen.
Sonicator UIP2000hdT voor de industriële synthese van grafeen
Literatuur / Referenties
- FactSheet – Ultrasonic Graphene Exfoliation – Hielscher Ultrasonics
- 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.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
veelgestelde vragen
Wat maakt grafeen zo uniek?
Grafeen wordt vaak beschreven als het dunste en sterkste materiaal dat we kennen. Maar de echte waarde ligt in de manier waarop de atomaire structuur zich vertaalt in buitengewone prestaties.
- Extreme mechanische sterkte
Grafeen heeft een treksterkte die naar schatting tot 200 keer sterker is dan staal. Dit maakt het een ideale kandidaat voor lichtgewicht materialen met een hoge sterkte, vooral in industrieën waar prestaties per gram belangrijk zijn. - Uitstekend elektrisch geleidingsvermogen
Grafeen geleidt elektriciteit zelfs beter dan koper. Dit opent de deur naar snellere, kleinere en efficiëntere elektronica, waaronder flexibele circuits en ultradunne componenten. - Superieur warmtegeleidingsvermogen
Grafeen geleidt warmte extreem goed - zelfs beter dan diamant. Dat maakt het zeer waardevol voor warmteafvoer in elektronica, warmtebeheersystemen en geavanceerde energieapparatuur. - Hoge optische transparantie
Ondanks zijn sterkte en geleidbaarheid is grafeen bijna transparant. Dit maakt het geschikt voor transparante geleidende films, optische componenten en geavanceerde beeldschermtechnologieën.
Waarom is grafeen een “Materiaal platform” voor veel sectoren?
Omdat grafeen op unieke wijze mechanische sterkte, elektrische geleidbaarheid, thermische prestaties en optische transparantie combineert, is het niet beperkt tot één niche. In plaats daarvan dient het als een platformmateriaal dat hele technologiesectoren kan upgraden.
- In de elektronica maakt grafeen de ontwikkeling van ultradunne, flexibele en krachtige componenten mogelijk. Onderzoekers onderzoeken de integratie ervan in transistors van de volgende generatie, transparante geleidende films, zonnecellen en lichtemitterende apparaten. De uitzonderlijke mobiliteit van ladingsdragers maakt het bijzonder aantrekkelijk voor geminiaturiseerde en snelle elektronische systemen.
- Op het gebied van energieopslag dragen de hoge elektrische geleidbaarheid en thermische stabiliteit van grafeen bij aan betere prestaties van batterijen en supercondensatoren. Apparaten met grafeen kunnen een hogere energiedichtheid, snellere oplaadsnelheden en een betere cyclusstabiliteit vertonen. – kritische parameters voor elektrische mobiliteit en hernieuwbare energiesystemen.
- Grafeen verbetert ook aanzienlijk composietmaterialen. Zelfs kleine hoeveelheden grafeen in polymeren, metalen of keramiek kunnen de mechanische sterkte, stijfheid en thermische geleidbaarheid verhogen. Dit maakt grafeenversterkte composieten aantrekkelijk voor luchtvaartonderdelen, autostructuren en geavanceerde bouwmaterialen.
- In biomedische en biotechnologische toepassingen kan grafeen dankzij zijn afstembare oppervlaktechemie en biocompatibiliteit worden gebruikt in systemen voor het toedienen van medicijnen, biosensoren en weefselengineeringstechnieken. Deze eigenschappen openen de weg naar geavanceerde diagnostische en therapeutische technologieën.
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.