Ultrazvuková syntéza grafénu prostredníctvom exfoliácie grafitu je najspoľahlivejšou a najvýhodnejšou metódou na výrobu vysoko kvalitných grafénových listov v priemyselnom meradle. Hielscher vysoko výkonné ultrazvukové procesory sú presne kontrolovateľné a môžu generovať veľmi vysoké amplitúdy v prevádzke 24/7. To umožňuje pripraviť veľké objemy nedotknutého grafénu ľahkým a veľkostne kontrolovateľným spôsobom.

Ultrazvukový príprava Graphene

Keďže sú známe mimoriadne charakteristiky grafitu, vyvinulo sa niekoľko metód na jeho prípravu. Popri chemickej produkcii grafénov z oxidu grafénu v viacstupňových procesoch, pre ktoré sú potrebné veľmi silné oxidačné a redukčné činidlá. Okrem toho, Graphene pripravené za týchto drsných chemických podmienok často obsahujú veľké množstvo defektov aj po znížení v porovnaní s grafény získané z iných metód. Avšak, ultrazvuk je osvedčený alternatívou k produkcii vysoko kvalitných Graphene, a to aj vo veľkom množstve. Výskumníci vyvinuli mierne odlišné spôsoby použitia ultrazvuku, ale všeobecne Graphene produkcia je jednoduchý jednostupňový proces.

Vysokorýchlostná sekvencia (od a po f) rámov znázorňujúca sonomechanické odlupovanie grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, 200W ultrasonicator s 3-mm sonotródou. Šípky ukazujú miesto rozdelenia (exfoliácie) s kavitačnými bublinami prenikajúcimi do rozdelenia.
(štúdia a obrázky: © Tyurnina et al. 2020

Výhody ultrazvukovej exfoliácie grafénu

Hielscher sonda ultrasonicators a reaktory premeniť exfoliáciu grafénu na vysoko efektívny proces používaný na výrobu grafénu z grafitu prostredníctvom aplikácie silných ultrazvukových vĺn. Táto technika ponúka niekoľko výhod oproti iným metódam výroby grafénu. Hlavné výhody ultrazvukovej exfoliácie grafénu sú nasledovné:

• Vysoká účinnosť: Exfoliácia grafénu ultrazvukom typu sondy je veľmi efektívna metóda výroby grafénu. V krátkom časovom období môže produkovať veľké množstvo vysoko kvalitného grafénu.
• Nízke náklady: Zariadenie potrebné na ultrazvukovú exfoliáciu v priemyselnej výrobe grafénu je relatívne lacné v porovnaní s inými metódami výroby grafénu, ako je chemické nanášanie pár (CVD) a mechanická exfoliácia.
• Škálovateľnosť: Exfoliačný grafén prostredníctvom ultrasonicator môže byť ľahko rozšírený pre veľkovýrobu grafénu. Ultrazvuková exfoliácia a disperzia grafénu môže byť spustená v dávke, rovnako ako v kontinuálnom inline procese. Vďaka tomu je životaschopnou voľbou pre aplikácie v priemyselnom meradle.
• Kontrola vlastností grafénu: Exfoliácia grafénu a delaminácia pomocou ultrazvukom typu sondy umožňuje presnú kontrolu vlastností vyrobeného grafénu. To zahŕňa jeho veľkosť, hrúbku a počet vrstiev.
• Minimálny dopad na životné prostredie: Exfoliácia grafénu pomocou ultrazvuku osvedčená je zelená metóda výroby grafénu, pretože sa môže použiť s netoxickými, environmentálne neškodnými rozpúšťadlami, ako je voda alebo etanol. To znamená, že ultrazvuková delaminácia grafénu umožňuje vyhnúť sa alebo znížiť použitie drsných chemikálií alebo vysokých teplôt. To z neho robí ekologickú alternatívu k iným metódam výroby grafénu.

Celkovo, exfoliácia grafénu pomocou ultrazvukových prístrojov a reaktorov typu Hielscher sondy ponúka nákladovo efektívnu, škálovateľnú a ekologickú metódu výroby grafénu s presnou kontrolou vlastností výsledného materiálu.

Príklad jednoduchej výroby grafénu pomocou ultrazvukom

Grafit sa pridá do zmesi zriedenej organickej kyseliny, alkoholu a vody a potom sa zmes vystaví ultrazvukovému ožarovaniu. Kyselina pôsobí ako “Molekulárny klin” ktorý oddeľuje listy grafénu z nadradeného grafitu. Týmto jednoduchým procesom sa vytvorí veľké množstvo nepoškodeného, vysokokvalitného grafénu rozptýleného vo vode. (A et al. 2010)
 

Graphene priame exfoliácia

Ultrazvuk umožňuje prípravu grafénov v organických rozpúšťadlách, povrchovo aktívnych látok/vodných roztokov alebo iónových kvapalín. To znamená, že je možné vyhnúť sa použitiu silných oxidačných alebo redukujúcich látok. Stankovich et al. (2007) produkoval Graphene exfoliáciou pod ultrazvukom.
AFM snímky oxidu grafénu exfoliovaného ultrazvukovým ošetrením v koncentráciách 1 mg / ml vo vode vždy odhalili prítomnosť plechov s rovnomernou hrúbkou (~1 nm; príklad je uvedený na obrázku nižšie). Tieto dobre exfoliované vzorky oxidu grafénu neobsahovali žiadne vrstvy hrubšie ani tenšie ako 1 nm, čo viedlo k záveru, že za týchto podmienok sa skutočne dosiahla úplná exfoliácia oxidu grafénu až po jednotlivé vrstvy oxidu grafénu. (Stankovič et al. 2007)

AFM obrázok exfoliovaných listov GO s tromi výškovými profilmi získanými na rôznych miestach
(obrázok a štúdia: ©Stankovič et al., 2007)

Príprava Graphene listov

Stengl et al. preukázali úspešnú prípravu čistých grafénových dosiek vo veľkých množstvách pri výrobe nestechiometrického TiO2 grafénového nanokompozitu tepelnou hydrolýzou suspenzie s grafénovými nanolistami a titania peroxo komplexom. Čisté grafénové nanolisty boli vyrobené z prírodného grafitu pomocou vysoko intenzívneho kavitačného poľa generovaného Hielscher ultrazvukovým procesorom UIP1000hd v tlakovom ultrazvukovom reaktore pri 5 bar. Získané grafénové dosky s vysokou špecifickou povrchovou plochou a jedinečnými elektronickými vlastnosťami môžu byť použité ako dobrá podpora pre TiO2 na zvýšenie fotokatalytickej aktivity. Výskumná skupina tvrdí, že kvalita rozpúšťadle pripraveného grafénu je oveľa vyššia ako grafén získaný Hummerovou metódou, kde je grafit exfoliovaný a oxidovaný. Keďže fyzikálne podmienky v ultrazvukovom reaktore môžu byť presne kontrolované a predpokladom, že koncentrácia grafénu ako dopantu sa bude meniť v rozsahu 1 – 0.001%, výroba grafénu v kontinuálnom systéme v komerčnom meradle sa ľahko inštaluje. Priemyselné ultrasonicators a inline reaktory pre efektívnu exfoliáciu vysoko kvalitného grafénu sú ľahko dostupné.

Príprava Ultrazvukový liečba oxidu Graphene

Oh et al. (2010) preukázali prípravu trasu pomocou ultrazvukového ožarovania produkovať Graphene oxid (GO) vrstiev. Preto, oni pozastavili dvadsať päť miligramov oxidu grafénového prášku v 200 ml de-ionizovanej vody. Miešaním získali nehomogénnu hnedú suspenziu. Výsledné suspenzie boli sonicated (30 min, 1,3 × 105J), a po vysušení (na 373 K) bol produkovaný rozpúšťadle liečených Graphene oxidu. Spektroskopia FTIR ukázali, že ultrazvukové ošetrenie nezmenilo funkčné skupiny oxidu grafénu.

SEM obrázok grafénových nedotknutých nanolistov získaných ultrazvukom (Oh et al., 2010)

Funkcionalizácia Graphene listov

Xu a Suslick (2011) opísať pohodlný jeden-krok metóda pre prípravu polystyrénu funkcné grafitu. Vo svojej štúdii používali grafitové vločky a styrén ako základnú surovinu. Tým, sonicating grafitových vločiek v styrénu (reaktívny monomer), ultrazvukové ožarovanie vyústilo v mechanochemické exfoliácia grafitových vločiek do jednej vrstvy a niekoľko vrstiev Graphene listov. Súčasne sa dosiahla funkcionalizácia grafénových listov s polystyrénovým reťazcom.
Rovnaký proces funkcionalizácie možno vykonávať s inými vinylových monomérov pre kompozitných materiálov založených na graféne.

Graphene disperzie

Disperzné triedy Graphene a Graphene oxidu je nesmierne dôležité použiť plný potenciál Graphene s jeho špecifickými vlastnosťami. Ak Graphene nie je rozptýlený za kontrolovaných podmienok, polydisperzitou rozdelenia Graphene disperzie môže viesť k nepredvídateľné alebo neideálne správanie, akonáhle je začlenený do zariadenia, pretože vlastnosti Graphene sa líšia ako funkcia jeho štrukturálne Parametre. Ultrazvukom je preukázaná liečba oslabiť medzizodové sily a umožňuje presnú kontrolu dôležitých parametrov spracovania.
"Pre Graphene oxid (go), ktorý je typicky expandovaný ako jednovrstvové listy, jeden z hlavných polydisperzitou rozdelenia problémy vznikajú z variantov v bočnej oblasti vločiek. Bolo preukázané, že stredná laterálna veľkosť GO môže byť posunutá z 400 nm na 20 μm zmenou grafitových východiskových materiálov a sonikácie podmienok. " (Zelená et al. 2010)
Ultrazvukové dispergovanie grafénu, čo vedie k jemným a dokonca koloidným kalom, bolo preukázané v rôznych iných štúdiách. (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) ukázali, že pri použití ultrazvukom stabilné Graphene disperzie s vysokou koncentráciou 1 mg · mL − 1 a relatívne čisté Graphene listy sú dosiahnuté, a ako-pripravené Graphene listy vykazujú vysokú elektrickú vodivosť 712 S v destinácii · m^{− 1}. Výsledky Fourier premenil infračervené spektrá a Raman Spectra vyšetrenie naznačilo, že Ultrazvukový Prípravná metóda má menšie poškodenie chemickej a krištáľové štruktúry Graphene.

Vysokovýkonné ultrasonicators pre exfoliáciu grafénu

Na výrobu vysoko kvalitných grafén nano-listov, je potrebné spoľahlivé vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia. Amplitúda, tlak a teplota sú základnými parametrami, ktoré sú rozhodujúce pre reprodukovateľnosť a konzistentnú kvalitu výrobkov. Hielscher Ultrasonics’ Ultrazvukové procesory sú výkonné a presne kontrolovateľné systémy, ktoré umožňujú presné nastavenie parametrov procesu a kontinuálny vysokovýkonný ultrazvukový výstup. Hielscher Ultrazvukové priemyselné ultrazvukové procesory môžu dodávať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200μm môžu byť ľahko nepretržite prevádzkované v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Robustnosť ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje 24/7 prevádzku v ťažkých a náročných prostrediach.
Naši zákazníci sú spokojní s vynikajúcou robustnosťou a spoľahlivosťou Hielscher Ultrazvukové systémy. Inštalácia v oblastiach náročných aplikácií, náročných prostrediach a prevádzke 24/7 zaisťuje efektívne a hospodárne spracovanie. Ultrazvukové zintenzívnenie procesu znižuje čas spracovania a dosahuje lepšie výsledky, t.j. vyššia kvalita, vyššie výnosy, inovatívne produkty.
Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov:

Príprava uhlíkových Nanoscrolls

Uhlíkové nanozvitky sú podobné viacstenným uhlíkovým nanorúrkam. Rozdiel oproti MWCNT je otvorený hrot a úplná prístupnosť vnútorných povrchov iným molekulám. Môžu byť syntetizované mokré chemicky interkaláciou grafitu s draslíkom, exfoliáciou vo vode a ultrazvukom koloidnej suspenzie. (porov. Viculis et al., 2003) Ultrazvukom pomáha rolovanie grafénových monovrstiev do uhlíkových nanozvitkov (pozri obrázok nižšie). Bola dosiahnutá vysoká účinnosť konverzie 80%, vďaka čomu je výroba nanozvitkov zaujímavá pre komerčné aplikácie.

Ultrazvuková syntéza uhlíkových nanozvitkov (Viculis et al. 2003)

Príprava Nanoribbons

Výskumná skupina Hongjie Dai a jeho kolegovia z Stanford University našiel techniku na prípravu nanoribbons. Graphene stuhy sú tenké prúžky Graphene, ktoré môžu mať ešte užitočnejšie vlastnosti ako Graphene listy. Na šírkach asi 10 nm alebo menšie, Graphene stuhy správanie je podobné polovodičové ako elektróny sú nútení pohybovať pozdĺžne. Preto by mohlo byť zaujímavé používať nanoribbons s polovodičovými funkciami v elektronike (napr. pre menšie, rýchlejšie počítačové čipy).
Dai et al. Príprava Graphene nanoribbons základne na dva kroky: po prvé, oni uvoľnil vrstvy Graphene z grafitu tepelnou úpravou 1000 º C na jednu minútu v 3% vodíka v argónom plyne. Potom, Graphene bol rozdelený do pásov pomocou ultrazvukom. Nanoribbons získané touto technikou sú charakterizované oveľa ' hladšie’ hrany ako tie, ktoré sú vyrobené bežnými litografickými prostriedkami. (Jiao et al. 2009)