Ultrasone synthese van grafeen via grafietexfoliatie is de meest betrouwbare en voordelige methode om op industriële schaal grafeenplaten van hoge kwaliteit te produceren. Hielscher ultrasone processoren met hoge prestaties zijn nauwkeurig regelbaar en kunnen 24/7 zeer hoge amplitudes genereren. Hierdoor kunnen grote hoeveelheden ongerept grafeen op een eenvoudige en controleerbare manier worden geproduceerd.

Ultrasone Bereiding van grafeen

Omdat de buitengewone eigenschappen van grafiet bekend zijn, zijn verschillende methoden voor de bereiding ervan ontwikkeld. Naast de chemische productie van grafeen van grafeenoxide in meerstapsprocessen, waarvoor zeer sterke oxidatie- en reductiemiddelen nodig zijn. Bovendien bevat het onder deze ruwe chemische omstandigheden bereide grafeen vaak een grote hoeveelheid defecten, zelfs na reductie in vergelijking met grafenen verkregen uit andere werkwijzen. Echografie is echter een bewezen alternatief om grafeen van hoge kwaliteit te produceren, ook in grote hoeveelheden. Onderzoekers hebben licht verschillende manieren ontwikkeld met behulp van echografie, maar in het algemeen is de grafeenproductie een eenvoudig proces in één stap.

Een snelle reeks beelden (van a tot f) die de sonomexfoliatie van een grafietschilfer in water illustreert. met behulp van de UP200S, een ultrasoonapparaat van 200 W met een sonotrode van 3 mm. Pijlen tonen de plaats van splitsing (exfoliatie) met cavitatiebelletjes die de splitsing binnendringen.
(Studie en foto's: © Tyurnina et al. 2020

Voordelen van ultrasone grafeenexfoliatie

Hielscher-sonde-ultrasoneersystemen en -reactoren maken van grafeenexfoliatie een uiterst efficiënt proces om grafeen uit grafiet te produceren door de toepassing van krachtige ultrasone geluidsgolven. Deze techniek biedt verschillende voordelen ten opzichte van andere methoden voor de productie van grafeen. Belangrijke voordelen van ultrasone grafeenexfoliatie zijn de volgende:

• Hoog rendement: Grafeenafschilfering via ultrasone sonde is een zeer efficiënte methode voor de productie van grafeen. Zij kan in korte tijd grote hoeveelheden grafeen van hoge kwaliteit produceren.
• Lage kosten: De apparatuur die nodig is voor ultrasone exfoliatie bij de industriële productie van grafeen is relatief goedkoop in vergelijking met andere methoden voor de productie van grafeen, zoals chemische dampdepositie (CVD) en mechanische exfoliatie.
• Schaalbaarheid: Exfoliëren van grafeen via een ultrasoonapparaat kan gemakkelijk worden opgeschaald voor grootschalige productie van grafeen. Ultrasone exfoliatie en dispersie van grafeen kan zowel in batch als in een continu inline-proces plaatsvinden. Dit maakt het een haalbare optie voor toepassingen op industriële schaal.
• Controle over de eigenschappen van grafeen: Afschilfering en delaminatie van grafeen met behulp van ultrasone sonde maakt precieze controle mogelijk over de eigenschappen van het geproduceerde grafeen. Dit omvat de grootte, de dikte en het aantal lagen.
• Minimale impact op het milieu: Grafeenafschilfering met behulp van een ultrasoon is een groene methode voor grafeenproductie, aangezien deze kan worden gebruikt met niet-giftige, milieuvriendelijke oplosmiddelen zoals water of ethanol. Dit betekent dat met ultrasone grafeenafschilfering het gebruik van agressieve chemicaliën of hoge temperaturen kan worden vermeden of verminderd. Dit maakt het tot een milieuvriendelijk alternatief voor andere grafeenproductiemethoden.

In het algemeen biedt grafeenexfoliatie met behulp van Hielscher-sonde-ultrasoneersystemen en -reactoren een kosteneffectieve, schaalbare en milieuvriendelijke methode voor de productie van grafeen met nauwkeurige controle over de eigenschappen van het resulterende materiaal.

Voorbeeld van eenvoudige productie van grafeen met behulp van Sonicatie

Grafiet wordt toegevoegd in een mengsel van verdund organisch zuur, alcohol en water, en vervolgens wordt het mengsel blootgesteld aan ultrasone bestraling. Het zuur werkt als een “moleculaire wedge” die zich afscheidt vel grafeen van de bovenliggende grafiet. Door deze eenvoudige werkwijze, wordt een grote hoeveelheid onbeschadigd, hoogwaardige grafeen gedispergeerd in water gemaakt. (An et al. 2010)
 

Grafeen Direct Peeling

Ultrasound maakt de bereiding van graphenes in organische oplosmiddelen, surfactanten / wateroplossingen of ionische vloeistoffen. Dit betekent dat het gebruik van sterk oxiderende of reducerende middelen kunnen worden vermeden. Stankovich et al. (2007) geproduceerd grafeen door afschilfering onder ultrasone trillingen.
De AFM-beelden van grafeenoxide geëxfolieerd door de ultrasone behandeling bij concentraties van 1 mg/ml in water toonden altijd de aanwezigheid van vellen met uniforme dikte (~1 nm; een voorbeeld is te zien in de afbeelding hieronder). Deze goed geëxfolieerde monsters van grafeenoxide bevatten geen vellen dikker of dunner dan 1 nm, wat tot de conclusie leidt dat onder deze omstandigheden inderdaad volledige exfoliatie van grafeenoxide tot afzonderlijke vellen grafeenoxide werd bereikt. (Stankovich et al. 2007)

AFM-beeld van geëxfolieerde GO-vellen met drie hoogteprofielen, verkregen op verschillende plaatsen
(foto en studie: ©Stankovich et al., 2007)

Bereiding van grafeen vellen

Stengl et al. hebben de succesvolle bereiding aangetoond van zuivere grafeenvellen in grote hoeveelheden tijdens de productie van niet-stoichiometrisch TiO2 grafeen nanocomposiet door thermische hydrolyse van suspensie met grafeen nanosheets en titania peroxo complex. De zuivere grafeennanosheets werden geproduceerd uit natuurlijk grafiet met behulp van een cavitatieveld met hoge intensiteit, opgewekt door de Hielscher ultrasone processor UIP1000hd in een ultrasone reactor onder druk bij 5 bar. De verkregen grafeenvellen, met een hoog specifiek oppervlak en unieke elektronische eigenschappen, kunnen worden gebruikt als een goede ondersteuning voor TiO2 om de fotokatalytische activiteit te verbeteren. De onderzoeksgroep beweert dat de kwaliteit van het ultrasoon bereide grafeen veel beter is dan grafeen dat is verkregen met de methode van Hummer, waarbij grafiet wordt geëxfolieerd en geoxideerd. Aangezien de fysische omstandigheden in de ultrasone reactor nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd en door de veronderstelling dat de concentratie van grafeen als doteringsmateriaal varieert in het bereik van 1 – 0.001%, is de productie van grafeen in een continu systeem op commerciële schaal gemakkelijk te installeren. Industriële ultrasone machines en inline-reactoren voor efficiënte exfoliatie van grafeen van hoge kwaliteit zijn gemakkelijk verkrijgbaar.

Bereiden door ultrasoonbehandeling grafeen Oxide

Oh et al. (2010) lieten een bereidingsroute een ultrasone bestraling grafeen oxide (GO) lagen te produceren. Daarom gesuspendeerd zij vijfentwintig milligram grafeen oxide poeder in 200 ml gedeïoniseerd water. Door roeren verkregen zij een homogene bruine suspensie. De resulterende suspensies werden gesoniceerd (30 min, 1,3 x 105J) en na drogen (bij 373 K) het ultrasoon behandelde grafeen oxide geproduceerd. Een FTIR spectroscopie toonde aan dat de ultrasone behandeling de functionele groepen grafeen oxide veranderde.

SEM-beeld van ongerepte grafeen-nanosheets verkregen door ultrasoonbehandeling (Oh et al., 2010).

Functionalisering van Graphene Sheets

Xu en Suslick (2011) beschrijven een gemakkelijke één-staps werkwijze voor de bereiding van gefunctionaliseerde polystyreen grafiet. In hun studie, gebruikten ze grafietlamellen en styreen als basisgrondstof. Door soniceren de grafietvlokken in styreen (een reactief monomeer), de ultrasone bestraling resulteerde in de mechanochemische afschilfering van grafietvlokken in enkellaags enkele laag grafeen vel. Tegelijkertijd is de functionalisering van het grafeen vel met de polystyreenketens bereikt.
Dezelfde werkwijze kan functionalisering met andere vinylmonomeren worden uitgevoerd composieten in grafeen.

grafeen Dispersies

De dispersiegraad van grafeen en grafeenoxide is uitermate belangrijk om het volledige potentieel van grafeen met zijn specifieke kenmerken te gebruiken. Als grafeen niet onder gecontroleerde omstandigheden wordt gedispergeerd, kan de polydispersiteit van grafeendispersie leiden tot onvoorspelbaar of niet-ideaal gedrag zodra het in apparaten wordt opgenomen, omdat de eigenschappen van grafeen variëren als een functie van de structurele parameters. Sonicatie is een bewezen behandeling om de krachten tussen de lagen te verzwakken en zorgt voor een nauwkeurige controle van de belangrijke verwerkingsparameters.
“Voor grafeen oxide (GO), dat typisch geëxpandeerd als enkellaagse vellen, een van de belangrijkste uitdagingen polydispersiteit voortkomt uit variaties in het zijgebied van de vlokken. Aangetoond is dat de gemiddelde laterale grootte van GO kunnen worden verschoven van 400 nm tot 20 urn door het veranderen van het grafiet uitgangsmateriaal en sonicatie omstandigheden.”(Green et al. 2010)
De ultrasone dispersie van grafeen die resulteert in fijne en zelfs colloïdale slurries is aangetoond in verschillende andere studies. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) hebben aangetoond dat door het gebruik van ultrasone trillingen een stabiele grafeen dispersie met een hoge concentratie van 1 mg · ml-1 en relatief zuiver grafeen vellen worden bereikt en zo bereide grafeen platen vertonen een hoge elektrische geleidbaarheid van 712 S · m^-1. De resultaten van de Fourier getransformeerde infraroodspectra en Raman-spectra onderzoek bleek dat de ultrasone bereidingswijze minder schade aan de chemische en kristalstructuren grafeen.

Hoogwaardige ultrasone apparaten voor grafeenexfoliatie

Voor de productie van hoogwaardige grafene nano-sheets is betrouwbare ultrasone apparatuur van hoge kwaliteit nodig. Amplitude, druk en temperatuur zijn essentiële parameters, die cruciaal zijn voor de reproduceerbaarheid en consistente productkwaliteit. Hielscher Ultrasonics’ ultrasone processoren zijn krachtige en nauwkeurig regelbare systemen, die de exacte instelling van procesparameters en een continu ultrageluidsvermogen mogelijk maken. De industriële ultrasoonprocessoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. De robuustheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur maakt een 24/7 werking bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
Onze klanten zijn tevreden over de uitstekende robuustheid en betrouwbaarheid van Hielscher Ultrasonics systemen. De installatie in gebieden met zware toepassingen, veeleisende omgevingen en 24/7 werking zorgen voor een efficiënte en economische verwerking. Ultrasone procesintensivering verkort de verwerkingstijd en zorgt voor betere resultaten, d.w.z. hogere kwaliteit, hogere opbrengsten, innovatieve producten.
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:

Bereiding van Carbon Nanoscrolls

Carbon Nanoscrolls zijn vergelijkbaar met meerwandige carbon nanotubes. Het verschil met MWCNT's zijn de open uiteinden en de volledige toegankelijkheid van de binnenoppervlakken voor andere moleculen. Zij kunnen nat-chemisch worden gesynthetiseerd door grafiet te intercaleren met kalium, te exfoliëren in water en de colloïdale suspensie te sonificeren. (zie Viculis et al. 2003) De ultrasone behandeling helpt bij het oprollen van de grafeenmonolagen tot koolstofnanobolletjes (zie onderstaande grafiek). Er is een hoog omzettingsrendement van 80% bereikt, wat de productie van nanorollen interessant maakt voor commerciële toepassingen.

Ultrasone synthese van koolstofnanorollen (Viculis et al. 2003)

Bereiding van nanoribbons

De onderzoeksgroep van Hongjie Dai en zijn collega's van de Stanford University hebben een techniek gevonden om nanobanden te bereiden. Grafeenlinten zijn dunne stroken van grafeen die mogelijk nog handiger zijn dan grafeenvellen. Bij een breedte van ongeveer 10 nm of kleiner is het gedrag van de grafeenlinten vergelijkbaar met een halfgeleider, omdat elektronen in de lengte moeten bewegen. Daardoor zou het interessant kunnen zijn om nanobanden met halfgeleiderachtige functies in de elektronica te gebruiken (bijv. Voor kleinere, snellere computerchips).
Dai et al. bereiding van grafeen nanoribbons bases twee trappen: ten eerste losgemaakt zij lagen grafeen van grafiet door een warmtebehandeling van 1000 ° C gedurende één minuut in 3% waterstof in argon gas. Vervolgens werd het grafeen verdeeld in stroken gebruiken ultrasone trillingen. De nanoribbons verkregen volgens deze techniek worden gekenmerkt door veel ‘gladder’ randen dan die met gebruikelijke lithografische middelen. (Jiao et al. 2009)