Sinteza cu ultrasunete a grafenului prin exfolierea grafitului este cea mai fiabilă și avantajoasă metodă de a produce foi de grafen de înaltă calitate la scară industrială. Hielscher procesoare cu ultrasunete de înaltă performanță sunt controlabile cu precizie și poate genera amplitudini foarte mari în funcționarea 24/7. Acest lucru permite pregătirea unor volume mari de grafen curat într-un mod ușor și controlabil de dimensiune.

Prepararea ultrasunete Grafenul

Deoarece sunt cunoscute caracteristicile extraordinare ale grafitului, s-au dezvoltat mai multe metode de preparare a grafitului. În afară de producția chimică de grafenuri din oxid de grafen în procese în mai multe etape, pentru care sunt necesare agenți oxidanți și reducători foarte puternici. În plus, grafenul preparat în aceste condiții chimice dure conține adesea o cantitate mare de defecte chiar și după reducere comparativ cu grafenele obținute prin alte metode. Cu toate acestea, ecografia este o alternativă dovedită pentru a produce grafen, de înaltă calitate, de asemenea în cantități mari. Cercetătorii au dezvoltat metode ușor diferite folosind ultrasunete, dar, în general, producția de grafen este un proces simplu, într-un singur pas.

O secvență de mare viteză (de la a la f) de cadre care ilustrează exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200S, un ultrasonicator de 200W cu sonotrode de 3 mm. Săgețile arată locul despicării (exfolierea) cu bule de cavitație care penetrează despicarea.
(studiu și imagini: © Tyurnina et al. 2020

Avantajele exfolierii cu ultrasunete grafen

Ultrasonicators de tip sondă Hielscher și reactoare transforma exfolierea grafenului într-un proces extrem de eficient utilizat pentru a produce grafen din grafit prin aplicarea de unde cu ultrasunete puternice. Această tehnică oferă mai multe avantaje față de alte metode de producție a grafenului. Beneficiile majore ale exfolierii cu ultrasunete grafen sunt următoarele:

• Eficiență ridicată: Exfolierea grafenului prin ultrasonication de tip sondă este o metodă foarte eficientă de producție de grafen. Poate produce cantități mari de grafen de înaltă calitate într-o perioadă scurtă de timp.
• Cost redus: Echipamentul necesar pentru exfolierea cu ultrasunete în producția industrială de grafen este relativ ieftin în comparație cu alte metode de producție de grafen, cum ar fi depunerea chimică a vaporilor (BCV) și exfolierea mecanică.
• Scalabilitate: Exfolierea grafenului prin ultrasonicator poate fi ușor scalată pentru producția pe scară largă de grafen. Exfolierea cu ultrasunete și dispersia grafenului pot fi rulate în lot, precum și în proces continuu în linie. Acest lucru îl face o opțiune viabilă pentru aplicații la scară industrială.
• Controlul asupra proprietăților grafenului: Exfolierea grafenului și delaminarea folosind ultrasonication de tip sondă permite un control precis asupra proprietăților grafenului produs. Aceasta include dimensiunea, grosimea și numărul de straturi.
• Impact minim asupra mediului: Exfolierea grafenului folosind un ultrasonic dovedit este o metodă verde de producție de grafen, deoarece poate fi utilizată cu solvenți non-toxici, benigni din punct de vedere ecologic, cum ar fi apa sau etanolul. Acest lucru înseamnă că delaminarea grafenului cu ultrasunete permite evitarea sau reducerea utilizării substanțelor chimice dure sau a temperaturilor ridicate. Acest lucru îl face o alternativă ecologică la alte metode de producție a grafenului.

În general, exfolierea grafenului folosind ultrasonicators de tip sondă Hielscher și reactoare oferă o metodă rentabilă, scalabilă și ecologică de producție de grafen cu control precis asupra proprietăților materialului rezultat.

Exemplu pentru producția simplă de grafen folosind Sonicare

Grafitul se adaugă într-un amestec de acid organic diluat, alcool și apă, iar apoi amestecul este expus la iradiere cu ultrasunete. Acidul funcționează ca un “pană molecular” care separă foile de grafen de grafit părinte. Prin acest proces simplu, se creează o cantitate mare de nedeteriorate de înaltă calitate grafen, dispersat în apă. (An et al. 2010)
 

Grafenul Direct Exfolierea

Ultrasunete permite prepararea graphenes în solvenți organici, agenți activi de suprafață / soluții de apă sau lichide ionice. Aceasta înseamnă că utilizarea puternic oxidant sau agenți de reducere pot fi evitate. Stankovich și colab. (2007), produs grafena de exfolierea sub ultrasonare.
Imaginile AFM ale oxidului de grafen exfoliate prin tratamentul cu ultrasunete la concentrații de 1 mg / ml în apă au evidențiat întotdeauna prezența foilor cu grosime uniformă (~ 1 nm; exemplu este prezentat în imaginea de mai jos). Aceste probe bine exfoliate de oxid de grafen nu conțineau foi mai groase sau mai subțiri de 1nm, ceea ce a dus la concluzia că exfolierea completă a oxidului de grafen până la foi individuale de oxid de grafen a fost într-adevăr realizată în aceste condiții. (Stankovich et al. 2007)

Imagine AFM a foilor GO exfoliate cu trei profile de înălțime achiziționate în locații diferite
(imagine și studiu: ©Stankovich et al., 2007)

Pregătirea Foi grafena

Stengl et al. au demonstrat prepararea cu succes a foilor de grafen pur în cantități mari în timpul producției de nanocompozit de grafen tiO2 nestoichiometric prin hidroliza termică a suspensiei cu nanosheets grafen și titania peroxo complex. Nanosheets grafen pur au fost produse din grafit natural folosind un câmp de cavitație de mare intensitate generat de hielscher procesor cu ultrasunete UIP1000hd într-un reactor cu ultrasunete sub presiune la 5 bar. Foile de grafen obținute, cu o suprafață specifică ridicată și proprietăți electronice unice, pot fi utilizate ca un bun suport pentru TiO2 pentru a spori activitatea fotocatalitică. Grupul de cercetare susține că calitatea grafenului preparat cu ultrasunete este mult mai mare decât grafenul obținut prin metoda Hummer, unde grafitul este exfoliat și oxidat. Deoarece condițiile fizice din reactorul cu ultrasunete pot fi controlate cu precizie și prin presupunerea că concentrația de grafen ca dopant va varia în intervalul de 1 – 0.001%, producția de grafen într-un sistem continuu la scară comercială este ușor de instalat. Ultrasonicators industriale și reactoare inline pentru exfolierea eficientă a grafenului de înaltă calitate sunt disponibile.

Prepararea prin tratarea cu ultrasunete a Grafenul Oxide

Oh și colab. (2010) au arătat o cale de preparare folosind iradierea cu ultrasunete pentru a produce oxid de grafen (GO) straturi. De aceea, ei au suspendat douăzeci și cinci de miligrame de pulbere de oxid de grafen în 200 ml de apă deionizată. Prin agitare au obținut o suspensie brună neomogen. Suspensiile rezultate au fost sonicate (30 min, 1,3 x 105J), și după uscare (la 373 K), oxidul de grafena tratat ultrasonic a fost produs. Un FTIR a arătat că tratamentul cu ultrasunete nu a modificat grupările funcționale ale oxidului de grafen.

Sem imagine a grafenului nanosheets curat obținute prin ultrasonication (Oh et al., 2010)

Funcționalizarea Foi grafen

Xu și Suslick (2011) descrie o metodă convenabilă într-o etapă pentru prepararea polistiren funcționalizat grafit. In studiul lor, au folosit fulgi de grafit și stiren ca materie primă de bază. Prin sonicarea fulgii de grafit din stiren (un monomer reactiv), iradierea cu ultrasunete a dus la exfolierea mecano de fulgi de grafit în un singur strat și foi grafen câteva straturi. În același timp, a fost realizat funcționalizarea foilor de grafen cu lanțuri de polistiren.
Același proces de funcționalizare poate fi realizată cu alți monomeri vinilici pentru compozite pe bază de grafen.

Grafenul Dispersii

Gradul de dispersie al grafenului și al oxidului de grafen este extrem de important pentru a utiliza întregul potențial al grafenului cu caracteristicile sale specifice. Dacă grafenul nu este dispersat în condiții controlate, polidispersitatea dispersiei de grafen poate conduce la un comportament imprevizibil sau neindicat odată ce este încorporat în dispozitive, deoarece proprietățile grafenului variază în funcție de parametrii structurali ai acestuia. Sonicarea este un tratament dovedit care slăbește forțele intermediare și permite un control precis al parametrilor importanți de procesare.
„Pentru oxid de grafen (GO), care este de obicei exfoliat ca foi cu un singur strat, una dintre principalele provocări polidispersie rezultă din variațiile în zona laterală a fulgilor. S-a arătat că dimensiunea medie laterală a GO poate fi deplasată de la 400 nm până la 20 pm, prin schimbarea materialului grafit de pornire și condițiile sonicare.“(Green et al. 2010)
Dispersarea cu ultrasunete a grafenului care rezultă în dejecții fine și chiar coloidale a fost demonstrată în diverse alte studii. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang și colab. (2010) au arătat că prin utilizarea ultrasonication unei dispersii grafena stabilă cu o concentrație mare de 1 mg · ml-1 și foi grafen relativ pure sunt atinse, iar foile grafen ca preparate prezintă o conductivitate electrică ridicată de 712 S · m^-1. Rezultatele spectrele în infraroșu cu transformată Fourier și examinarea spectrelor Raman a indicat faptul că metoda de preparare cu ultrasunete are mai puține daune structurile chimice și cristaline ale grafen.

Ultrasonicators de înaltă performanță pentru exfolierea grafenului

Pentru producerea de înaltă calitate grafen nano-foi, fiabile echipamente ultrasonice de înaltă performanță este necesară. Amplitudinea, presiunea și temperatura sunt parametri esențiali, care sunt cruciale pentru reproductibilitate și calitate consistentă a produselor. Hielscher Ultrasonics’ procesoare cu ultrasunete sunt sisteme puternice și precis controlabile, care permit setarea exactă a parametrilor de proces și ieșirea continuă cu ultrasunete de mare putere. Hielscher Ultrasonics procesoare cu ultrasunete industriale pot livra amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi rulate cu ușurință continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Robustețea echipamentului cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 la grele și în medii solicitante.
Clienții noștri sunt mulțumiți de robustețea și fiabilitatea remarcabilă a sistemelor Hielscher Ultrasonics. Instalarea în domenii de aplicare grele, medii solicitante și funcționare 24/7 asigură o prelucrare eficientă și economică. Intensificarea procesului cu ultrasunete reduce timpul de procesare și obține rezultate mai bune, adică o calitate mai mare, randamente mai mari, produse inovatoare.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității de procesare aproximativă a ultrasonicators noastre:

Prepararea Nanoscrolls carbon

Nanoscroll-urile de carbon sunt similare cu nanotuburile de carbon cu pereți multipli. Diferența față de MWCNTs este vârfurile deschise și accesibilitatea completă a suprafețelor interioare la alte molecule. Acestea pot fi sintetizate umed-chimic prin intercalarea grafitului cu potasiu, exfolierea în apă și sonicarea suspensiei coloidale. (cf. Viculis et al. 2003) Ultrasonication asistă defilarea în sus a monostraturilor grafen în nanoscrolls de carbon (a se vedea graficul de mai jos). S-a obținut o eficiență ridicată de conversie de 80%, ceea ce face ca producția de nanoscroll-uri să fie interesantă pentru aplicațiile comerciale.

Sinteza cu ultrasunete a nanoscrolls de carbon (Viculis et al. 2003)

Prepararea Nanoribbons

Grupul de cercetare de la Hongjie Dai și colegii săi de la Universitatea Stanford au găsit o tehnică de pregătire a nanoribonilor. Panglicile de grafen sunt benzi subțiri de grafen care pot avea caracteristici și mai utile decât foile de grafen. La lățimi de aproximativ 10 nm sau mai mici, comportamentul panglicilor grapene este similar cu un semiconductor, deoarece electronii sunt forțați să se deplaseze longitudinal. Astfel, ar putea fi interesant să folosiți nanoribbons cu funcții asemănătoare semiconductorilor în electronică (de exemplu, pentru chips-uri mai mici, mai repede).
Dai și colab. pregătirea bazelor nanoribbons grafene pe două etape: în primul rând, au slăbit straturile de grafen din grafit printr-un tratament termic la 1000ºC timp de un minut în 3% hidrogen în gaz argon. Apoi, grafen a fost spart în fâșii folosind ultrasonare. Cele nanoribbons obținute prin această tehnică sunt caracterizate de mult „mai lin’ Marginile decât cele realizate prin mijloace convenționale litografice. (Jiao et al. 2009)