Ultrasone productie van grafeen

Ultrasone synthese van grafeen via grafiet-exfoliatie 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. Dit maakt het mogelijk om grote hoeveelheden ongerept grafeen te prepareren op een eenvoudige en controleerbare manier.

Ultrasone voorbereiding van grafeen

Sinds de buitengewone eigenschappen van grafiet bekend zijn, zijn er verschillende methoden ontwikkeld voor de bereiding ervan. Naast de chemische productie van grafeen uit grafeenoxide in meerstapsprocessen, waarvoor zeer sterke oxidatie- en reductiemiddelen nodig zijn. Bovendien bevat het grafeen dat onder deze zware chemische omstandigheden is bereid vaak een grote hoeveelheid defecten, zelfs na reductie, vergeleken met grafeen dat met andere methoden is verkregen. Ultrasoon geluid is echter een bewezen alternatief om grafeen van hoge kwaliteit te produceren, ook in grote hoeveelheden. Onderzoekers hebben enigszins verschillende manieren ontwikkeld om ultrageluid te gebruiken, maar over het algemeen is de productie van grafeen een eenvoudig eenstapsproces.

Een reeks beelden op hoge snelheid (van a tot f) ter illustratie van de sonomexfoliatie van een grafietschilfer in water met behulp van de UP200S, een ultrasoonapparaat van 200 W 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

Voordelen van ultrasone grafeenrubbering

Hielscher ultrasone sondes en reactoren maken van grafeen exfoliatie een zeer efficiënt proces om grafeen te produceren uit grafiet door de toepassing van krachtige ultrasone geluidsgolven. Deze techniek biedt verschillende voordelen ten opzichte van andere methoden om grafeen te produceren. De belangrijkste voordelen van ultrasone grafeenexfoliatie zijn de volgende:

• Hoog rendement: Grafeenafschilfering via ultrasone sonde is een zeer efficiënte methode om grafeen te produceren. Het 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: Het exfoliëren van grafeen met behulp van een ultrasoonapparaat kan gemakkelijk worden opgeschaald voor de productie van grafeen op grote schaal. Ultrasone exfoliatie en dispersie van grafeen kan zowel in batch als in een continu inline proces worden uitgevoerd. 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 nauwkeurige controle mogelijk over de eigenschappen van het geproduceerde grafeen. Dit omvat de grootte, dikte en het aantal lagen.
• Minimale impact op het milieu: Grafeenafschilfering met behulp van een ultrasoon is een groene methode voor grafeenproductie, omdat het kan worden gebruikt met niet-giftige, milieuvriendelijke oplosmiddelen zoals water of ethanol. Dit betekent dat bij ultrasone verwijdering van grafeen het gebruik van agressieve chemicaliën of hoge temperaturen kan worden vermeden of verminderd. Dit maakt het een milieuvriendelijk alternatief voor andere grafeenproductiemethoden.

In het algemeen biedt exfoliatie van grafeen met behulp van Hielscher ultrasone sondes 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 Sonicatie

Grafiet wordt toegevoegd in een mengsel van verdund organisch zuur, alcohol en water, waarna het mengsel wordt blootgesteld aan ultrasone bestraling. Het zuur werkt als een “moleculaire wig” dat vellen grafeen scheidt van het moedergrafiet. Door dit eenvoudige proces ontstaat een grote hoeveelheid onbeschadigd grafeen van hoge kwaliteit gedispergeerd in water. (An et al. 2010)
 

Directe afschilfering van grafeen

Ultrasoon geluid maakt het mogelijk om grafen te prepareren in organische oplosmiddelen, oppervlakteactieve stoffen/wateroplossingen of ionische vloeistoffen. Dit betekent dat het gebruik van sterke oxidatie- of reductiemiddelen kan worden vermeden. Stankovich et al. (2007) produceerden grafeen door exfoliatie onder ultrasone trillingen.
De AFM-afbeeldingen 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 volledige exfoliatie van grafeenoxide tot afzonderlijke vellen grafeenoxide onder deze omstandigheden inderdaad werd bereikt. (Stankovich et al. 2007)

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

Voorbereiding van grafeenvellen

Stengl et al. hebben de succesvolle bereiding van zuivere grafeenvellen in grote hoeveelheden aangetoond 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 gegenereerd door 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 hoger is dan grafeen dat verkregen is met de methode van Hummer, waarbij grafiet wordt geëxfolieerd en geoxideerd. Aangezien de fysische omstandigheden in de ultrasone reactor nauwkeurig kunnen worden geregeld en door de aanname 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 eenvoudig te installeren. Industriële ultrasone apparaten en inline reactoren voor efficiënte exfoliatie van grafeen van hoge kwaliteit zijn direct beschikbaar.

Voorbereiding door ultrasone behandeling van grafeenoxide

Oh et al. (2010) hebben een bereidingsroute met ultrasone bestraling laten zien om lagen grafeenoxide (GO) te produceren. Hiervoor brachten ze vijfentwintig milligram grafeenoxidepoeder in suspensie in 200 ml gedeïoniseerd water. Door te roeren verkregen ze een inhomogene bruine suspensie. De resulterende suspensies werden gesoneerd (30 minuten, 1,3 × 105 J) en na drogen (bij 373 K) werd het ultrasoon behandelde grafeenoxide geproduceerd. FTIR-spectroscopie toonde aan dat de ultrasone behandeling de functionele groepen van grafeenoxide niet veranderde.

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

Functionalisatie van vellen grafeen

Xu en Suslick (2011) beschrijven een handige eenstapsmethode voor de bereiding van polystyreen gefunctionaliseerd grafiet. In hun studie gebruikten ze grafietvlokken en styreen als basisgrondstof. Door de grafietvlokken in styreen (een reactief monomeer) te sonificeren, resulteerde de ultrasone bestraling in de mechanochemische exfoliatie van grafietvlokken in grafeenvellen met één of enkele lagen. Tegelijkertijd werden de grafeenvellen gefunctionaliseerd met polystyreenketens.
Hetzelfde functionalisatieproces kan worden uitgevoerd met andere vinylmonomeren voor composieten op basis van grafeen.

Grafeen-dispersies

De dispersiekwaliteit van grafeen en grafeenoxide is uiterst belangrijk om het volledige potentieel van grafeen met zijn specifieke eigenschappen te benutten. Als grafeen niet onder gecontroleerde omstandigheden wordt gedispergeerd, kan de polydispersie van grafeen leiden tot onvoorspelbaar of niet-ideaal gedrag zodra het in apparaten wordt ingebouwd, omdat de eigenschappen van grafeen variëren als functie van de structurele parameters. Sonificatie is een beproefde behandeling om de tussenlaagse krachten te verzwakken en maakt een nauwkeurige controle van de belangrijke verwerkingsparameters mogelijk.
"Voor grafeenoxide (GO), dat meestal wordt geëxfolieerd als vellen bestaande uit één laag, is een van de belangrijkste uitdagingen op het gebied van polydispersiteit de variatie in de laterale oppervlakte van de vlokken. Er is aangetoond dat de gemiddelde laterale grootte van GO kan worden verschoven van 400 nm naar 20 μm door het grafietuitgangsmateriaal en de sonicatiecondities te veranderen." (Green et al. 2010)
De ultrasone dispersie van grafeen resulterend in fijne en zelfs colloïdale slurries is aangetoond in verschillende andere onderzoeken. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) hebben aangetoond dat door middel van ultrasoonbehandeling een stabiele grafeen-dispersie met een hoge concentratie van 1 mg-mL-1 en relatief zuivere grafeenvellen worden verkregen, en de geprepareerde grafeenvellen vertonen een hoog elektrisch geleidingsvermogen van 712 S-m^-1. De resultaten van Fourier getransformeerd infrarood spectra en Raman spectra onderzoek gaven aan dat de ultrasone prepareermethode minder schade toebrengt aan de chemische en kristalstructuren van grafeen.

Ultrasoneators met hoge prestaties voor grafeenafschilfering

Voor de productie van grafeen nanobladen van hoge kwaliteit is betrouwbare ultrasone apparatuur met hoge prestaties nodig. Amplitude, druk en temperatuur zijn essentiële parameters, die cruciaal zijn voor de reproduceerbaarheid en consistente productkwaliteit. Hielscher Ultrasoon’ ultrasone processors zijn krachtige en nauwkeurig regelbare systemen, die de exacte instelling van procesparameters en een continue ultrasone uitvoer met hoog vermogen mogelijk maken. De industriële ultrasoonprocessoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden verkrijgbaar. De robuustheid van Hielscher's ultrasoonapparatuur maakt een 24/7 werking mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.
Onze klanten zijn tevreden over de uitstekende robuustheid en betrouwbaarheid van de Hielscher ultrasone 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.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

Voorbereiding van koolstof nanorollen

Koolstofnanobolletjes zijn vergelijkbaar met meerwandige koolstofnanobuisjes. Het verschil met MWCNT's zijn de open uiteinden en de volledige toegankelijkheid van de binnenoppervlakken voor andere moleculen. Ze kunnen nat-chemisch gesynthetiseerd worden door grafiet te intercaleren met kalium, te exfoliëren in water en de colloïdale suspensie te sonificeren. (cf. Viculis et al. 2003) De ultrasoonbehandeling helpt bij het oprollen van de grafeenmonolagen tot koolstofnanobolletjes (zie onderstaande grafiek). Er is een hoge omzettingsefficiëntie van 80% bereikt, wat de productie van nanoscrollen interessant maakt voor commerciële toepassingen.

Ultrasone synthese van koolstof nanorollen (Viculis et al. 2003)

Bereiding van nanoribbons

De onderzoeksgroep van Hongjie Dai en zijn collega's van Stanford University hebben een techniek gevonden om nanoribbons te maken. Grafeenlinten zijn dunne stroken grafeen die mogelijk nog meer nuttige eigenschappen hebben dan grafeenvellen. Bij een breedte van ongeveer 10 nm of kleiner is het gedrag van grafeenlinten vergelijkbaar met dat van een halfgeleider, omdat elektronen gedwongen worden om in de lengterichting te bewegen. Daardoor zou het interessant kunnen zijn om nanobanden met halfgeleiderachtige functies te gebruiken in elektronica (bijvoorbeeld voor kleinere, snellere computerchips).
Dai et al. bereidden grafeen nanobonen op basis van twee stappen: eerst maakten ze de lagen grafeen los van grafiet door een warmtebehandeling van 1000ºC gedurende één minuut in 3% waterstof in argongas. Daarna werd het grafeen met ultrasone trillingen in stroken gebroken. De nanobanden die met deze techniek zijn verkregen, worden gekenmerkt door veel 'gladder’ randen dan die gemaakt zijn met conventionele lithografische middelen. (Jiao et al. 2009)