Producția de grafen cu ultrasunete

Sinteza cu ultrasunete a grafenului prin exfolierea grafitului este metoda cea mai fiabilă și avantajoasă pentru a produce foi de grafen de înaltă calitate la scară industrială. Hielscher procesoare cu ultrasunete de înaltă performanță sunt controlabile cu precizie și pot genera amplitudini foarte mari în funcționare 24/7. Acest lucru permite pregătirea unor volume mari de grafen curat într-un mod ușor și controlabil din punct de vedere al dimensiunilor.

Pregătirea cu ultrasunete a grafenului

Deoarece caracteristicile extraordinare ale grafitului sunt cunoscute, au fost dezvoltate mai multe metode de preparare a acestuia. Pe lângă producția chimică de grafeni din oxid de grafen în procese în mai multe etape, pentru care sunt necesari 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 în comparație cu grafenele obținute prin alte metode. Cu toate acestea, ultrasunetele sunt o alternativă dovedită pentru a produce grafen de înaltă calitate, de asemenea, în cantități mari. Cercetătorii au dezvoltat moduri ușor diferite folosind ultrasunetele, 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 ilustrând exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200S, un ultrasonicator de 200W cu sonotrodă de 3 mm. Săgețile arată locul de despicare (exfoliere) cu bule de cavitație care penetrează despicarea.
(studiu și imagini: © Tyurnina et al. 2020

Avantajele exfolierii cu grafen cu ultrasunete

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

• Eficiență ridicată: Exfolierea grafenului prin ultrasonication de tip sondă este o metodă foarte eficientă de producere a grafenului. 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 producere a grafenului, ar fi depunerea chimică de vapori (CVD) 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 procesul continuu inline. Acest lucru îl face o opțiune viabilă pentru aplicațiile la scară industrială.
• Controlul asupra proprietăților grafenului: Exfolierea și delaminarea grafenului 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 ultrasunete dovedit este o metodă verde de producere a grafenului, deoarece poate fi utilizată cu solvenți netoxici, inofensivi pentru mediu, cum ar fi apa sau etanolul. Aceasta 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 și reactoare de tip sondă Hielscher oferă o metodă rentabilă, scalabilă și ecologică de producere a grafenului, cu un 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 iradierii cu ultrasunete. Acidul funcționează ca un “pană moleculară” care separă foile de grafen de grafitul părinte. Prin acest proces simplu, se creează o cantitate mare de grafen nedeteriorat, de înaltă calitate, dispersat în apă. (An și colab. 2010)
 

Exfoliere directă cu grafen

Ecografia permite prepararea grafenilor în solvenți organici, agenți tensioactivi / soluții de apă sau lichide ionice. Aceasta înseamnă că utilizarea agenților oxidanți sau reducători puternici poate fi evitată. Stankovich et al. (2007) a produs grafen prin exfoliere sub ultrasonication.
Imaginile AFM ale oxidului de grafen exfoliat prin tratamentul cu ultrasunete la concentrații de 1 mg / ml în apă au relevat întotdeauna prezența foilor cu grosime uniformă (~ 1 nm; exemplul 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 duce la concluzia că exfolierea completă a oxidului de grafen până la foile individuale de oxid de grafen a fost într-adevăr realizată în aceste condiții. (Stankovich și colab., 2007)

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

Pregătirea foilor de grafen

Stengl et al. au demonstrat prepararea cu succes a foilor de grafen pur în cantități mari în timpul producției de nanocompozit de grafen TiO2 nestoechiometric prin hidroliza termică a suspensiei cu nanofoi de grafen și complex titania peroxo. Nanofoile de grafen pur au fost produse din grafit natural folosind un câmp de cavitație de mare intensitate generat de procesorul cu ultrasunete Hielscher UIP1000hd într-un reactor cu ultrasunete sub presiune la 5 bar. Foile de grafen obținute, cu o suprafață specifică mare 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 ultrasonically este mult mai mare decât grafenul obținut prin metoda lui 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 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 ușor disponibile.

Prepararea prin tratamentul cu ultrasunete a oxidului de grafen

Oh et al. (2010) au arătat o cale de preparare folosind iradierea cu ultrasunete pentru a produce oxid de grafen (GO) straturi. Prin urmare, 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 maro neomogenă. Suspensiile rezultate au fost sonicated (30 min, 1.3 × 105J), iar după uscare (la 373 K) oxidul de grafen tratat ultrasonically a fost produs. O spectroscopie FTIR a arătat că tratamentul cu ultrasunete nu a schimbat grupurile funcționale ale oxidului de grafen.

Imagine SEM a nanofoilor de grafen curate obținute prin ultrasonication (Oh et al., 2010)

Funcționalizarea foilor de grafen

Xu și Suslick (2011) descriu o metodă convenabilă într-un singur pas pentru prepararea grafitului funcționalizat din polistiren. În studiul lor, au folosit fulgi de grafit și stiren ca materie primă de bază. Prin sonicarea fulgilor de grafit în stiren (un monomer reactiv), iradierea cu ultrasunete a dus la exfolierea mecanochimică a fulgilor de grafit în foi de grafen cu un singur strat și cu puține straturi. Concomitent s-a realizat functionalizarea foilor de grafen cu lanturile de polistiren.
Același proces de funcționalizare poate fi realizat și cu alți monomeri de vinil pentru compozite pe bază de grafen.

Dispersii de grafen

Gradul de dispersie al grafenului și 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, polidispersia dispersiei grafenului poate duce la un comportament imprevizibil sau neideal odată ce este încorporat în dispozitive, deoarece proprietățile grafenului variază în funcție de parametrii săi structurali. Sonicare este un tratament dovedit pentru a slăbi forțele intermediare și permite un control precis al parametrilor importanți de procesare.
"Pentru oxidul de grafen (GO), care este de obicei exfoliat ca foi cu un singur strat, una dintre principalele provocări de polidispersie apare din variațiile zonei laterale a fulgilor. S-a demonstrat că dimensiunea laterală medie a GO poate fi deplasată de la 400 nm la 20 μm prin schimbarea materiei prime de grafit și a condițiilor de sonicare. (Green și colab. 2010)
Dispersarea cu ultrasunete a grafenului care rezultă în suspensii fine și chiar coloidale a fost demonstrată în diverse alte studii. (Liu și colab. 2011 / Baby și colab. 2011 / Choi și colab. 2010)
Zhang et al. (2010) au arătat că prin utilizarea ultrasonication o dispersie stabilă a grafenului cu o concentrație ridicată de 1 mg·ml−1 și foi de grafen relativ pure sunt obținute, iar foile de grafen preparate prezintă o conductivitate electrică ridicată de 712 S·m⁻¹. Rezultatele examinării spectrelor infraroșii transformate Fourier și Raman au indicat faptul că metoda de preparare cu ultrasunete are mai puține daune structurilor chimice și cristaline ale grafenului.

Ultrasonicators de înaltă performanță pentru exfolierea grafenului

Pentru producerea de nano-foi de grafen de înaltă calitate, este necesar un echipament cu ultrasunete fiabil de înaltă performanță. Amplitudinea, presiunea și temperatura sunt parametri esențiali, care sunt cruciali pentru reproductibilitate și calitatea constantă a produsului. Hielscher Ultrasonics’ Procesoarele cu ultrasunete sunt sisteme puternice și controlabile cu precizie, care permit setarea exactă a parametrilor procesului și ieșirea continuă cu ultrasunete de mare putere. Hielscher Ultrasonics procesoare industriale cu ultrasunete pot livra amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate 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 remarcabilă și fiabilitatea sistemelor Hielscher Ultrasonics. Instalarea în domenii cu aplicații 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 superioară, randamente mai mari, produse inovatoare.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

Pregătirea nanoscroll-urilor de carbon

Nanoscroll-urile de carbon sunt similare cu nanotuburile de carbon cu pereți multipli. Diferența față de MWCNT 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 ajută la derularea în sus a monostraturilor de 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 nanosuluri să fie interesantă pentru aplicațiile comerciale.

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

Pregătirea nanopanglicilor

Grupul de cercetare Hongjie Dai și colegii săi de la Universitatea Stanford au găsit o tehnică pentru a pregăti nanopanglici. Panglicile de grafen sunt benzi subțiri de grafen care pot avea caracteristici chiar mai utile decât foile de grafen. La lățimi de aproximativ 10 nm sau mai mici, comportamentul benzilor de grafen este similar cu cel al unui semiconductor, deoarece electronii sunt forțați să se miște longitudinal. Astfel, ar putea fi interesant să se utilizeze nanopanglici cu funcții asemănătoare semiconductorilor în electronică (de exemplu, pentru cipuri de computer mai mici și mai rapide).
Dai et al. prepararea nanopanglicilor de grafen se bazează pe două etape: în primul rând, au slăbit straturile de grafen din grafit printr-un tratament termic de 1000 ° C timp de un minut în hidrogen 3% în gaz argon. Apoi, grafenul a fost împărțit în benzi folosind ultrasonication. Nanoribbons obținute prin această tehnică sunt caracterizate de mult "mai neted’ margini decât cele realizate prin mijloace litografice convenționale. (Jiao și colab. 2009)