Ultrazvočna proizvodnja grafena

Ultrazvočna sinteza grafena z grafitnim pilingom je najbolj zanesljiva in ugodna metoda za izdelavo visokokakovostnih grafenskih listov v industrijskem merilu. Hielscher visoko zmogljivi ultrazvočni procesorji so natančno nadzorovani in lahko ustvarijo zelo visoke amplitude v 24/7 delovanju. To omogoča pripravo velikih količin neokrnjenega grafena na enostaven in velikostno nadzorovan način.

Ultrazvočna priprava grafena

Ker so znane izjemne lastnosti grafita, je bilo razvitih več metod za njegovo pripravo. Poleg kemične proizvodnje grafenov iz grafen oksida v večstopenjskih postopkih, za katere so potrebna zelo močna oksidacijska in redukcijska sredstva. Poleg tega grafen, pripravljen v teh težkih kemijskih pogojih, pogosto vsebuje veliko napak tudi po redukciji v primerjavi s grafeni, pridobljenimi z drugimi metodami. Vendar pa je ultrazvok dokazana alternativa za proizvodnjo visoko kakovostnega grafena, tudi v velikih količinah. Raziskovalci so razvili nekoliko drugačne načine z uporabo ultrazvoka, vendar je na splošno proizvodnja grafena preprost postopek v enem koraku.

Hitro zaporedje (od a do f) okvirjev, ki ponazarjajo sono-mehansko luščenje grafitnih kosmičev v vodi z uporabo UP200S, 200W ultrazvočnega aparata s 3-milimetrsko sonotrodo. Puščice kažejo mesto cepitve (pilinga) s kavitacijskimi mehurčki, ki prodirajo v razcep.
(študija in slike: © Tyurnina et al. 2020

Prednosti ultrazvočnega pilinga grafena

Hielscherjevi ultrazvočni aparati in reaktorji spreminjajo piling grafena v zelo učinkovit proces, ki se uporablja za proizvodnjo grafena iz grafita z uporabo močnih ultrazvočnih valov. Ta tehnika ponuja več prednosti pred drugimi metodami proizvodnje grafena. Glavne prednosti ultrazvočnega pilinga grafena so naslednje:

• Visoka učinkovitost: Piling grafena z ultrazvočno sondo je zelo učinkovita metoda proizvodnje grafena. V kratkem času lahko proizvede velike količine visokokakovostnega grafena.
• Nizki stroški: Oprema, potrebna za ultrazvočni piling v industrijski proizvodnji grafena, je relativno poceni v primerjavi z drugimi metodami proizvodnje grafena, kot so kemično nanašanje hlapov (CVD) in mehansko piling.
• Razširljivost: Piling grafena z ultrazvočnim aparatom je mogoče enostavno povečati za obsežno proizvodnjo grafena. Ultrazvočni piling in disperzija grafena se lahko izvajata v seriji in v neprekinjenem inline procesu. Zaradi tega je izvedljiva možnost za industrijske aplikacije.
• Nadzor nad lastnostmi grafena: Piling in razslojevanje grafena z ultrazvokom tipa sonde omogoča natančen nadzor nad lastnostmi proizvedenega grafena. To vključuje njegovo velikost, debelino in število plasti.
• Minimalen vpliv na okolje: Piling grafena z ultrazvočno dokazano je zelena metoda proizvodnje grafena, saj se lahko uporablja z nestrupenimi, okolju prijaznimi topili, kot sta voda ali etanol. To pomeni, da ultrazvočno razslojevanje grafena omogoča, da se izognete ali zmanjšate uporabo ostrih kemikalij ali visokih temperatur. Zaradi tega je okolju prijazna alternativa drugim metodam proizvodnje grafena.

Na splošno piling grafena z ultrazvočnimi sondami in reaktorji Hielscher ponuja stroškovno učinkovito, razširljivo in okolju prijazno metodo proizvodnje grafena z natančnim nadzorom nad lastnostmi nastalega materiala.

Primer za enostavno proizvodnjo grafena z uporabo ultrazvočnega razbijanja

Grafit se doda v mešanici razredčene organske kisline, alkohola in vode, nato pa se zmes izpostavi ultrazvočnemu obsevanju. Kislina deluje kot “molekularni klin” ki ločuje liste grafena od starševskega grafita. S tem preprostim postopkom nastane velika količina nepoškodovanega, visokokakovostnega grafena, razpršenega v vodi. (An et al. 2010)
 

Grafenski neposredni piling

Ultrazvok omogoča pripravo grafenov v organskih topilih, površinsko aktivnih snoveh/vodnih raztopinah ali ionskih tekočinah. To pomeni, da se lahko izognemo uporabi močnih oksidacijskih ali redukcijskih sredstev. Stankovich et al. (2007) so proizvedli grafen s pilingom pod ultrazvokom.
AFM slike grafen oksida, odlepljene z ultrazvočno obdelavo v koncentracijah 1 mg / ml v vodi, so vedno pokazale prisotnost listov z enakomerno debelino (~ 1 nm; primer je prikazan na spodnji sliki). Ti dobro luščeni vzorci grafen oksida niso vsebovali listov, ki bi bili debelejši ali tanjši od 1 nm, kar je privedlo do zaključka, da je bila popolna eksfoliacija grafen oksida do posameznih listov grafen oksida v teh pogojih dejansko dosežena. (Stankovich et al. 2007)

AFM slika luščenih GO listov s tremi višinskimi profili, pridobljenih na različnih lokacijah
(slika in študija: ©Stankovich et al., 2007)

Priprava grafenskih listov

Stengl et al. so pokazali uspešno pripravo čistih grafenskih listov v velikih količinah med proizvodnjo nestehiometričnega TiO2 grafenskega nanokompozita s toplotno hidrolizo suspenzije z grafenskimi nanoploščami in kompleksom titania peroxo. Čisti grafenski nanolisti so bili izdelani iz naravnega grafita z uporabo visoko intenzivnega kavitacijskega polja, ki ga je ustvaril Hielscher ultrazvočni procesor UIP1000hd v ultrazvočnem reaktorju pod tlakom pri 5 barih. Dobljeni grafenski listi z visoko specifično površino in edinstvenimi elektronskimi lastnostmi se lahko uporabijo kot dobra podpora za TiO2 za povečanje fotokatalitične aktivnosti. Raziskovalna skupina trdi, da je kakovost ultrazvočno pripravljenega grafena veliko višja od grafena, pridobljenega s Hummerjevo metodo, kjer se grafit lušči in oksidira. Ker je fizikalne pogoje v ultrazvočnem reaktorju mogoče natančno nadzorovati in ob predpostavki, da se bo koncentracija grafena kot dopanta spreminjala v območju 1 – 0001%, proizvodnja grafena v neprekinjenem sistemu v komercialnem obsegu je enostavno namestiti. Na voljo so industrijski ultrazvočni aparati in inline reaktorji za učinkovito luščenje visokokakovostnega grafena.

Priprava grafenskega oksida z ultrazvočno obdelavo

Oh et al. (2010) so pokazali pot priprave z uporabo ultrazvočnega obsevanja za proizvodnjo plasti grafen oksida (GO). Zato so suspendirali petindvajset miligramov prahu grafen oksida v 200 ml deionizirane vode. Z mešanjem so dobili nehomogeno rjavo suspenzijo. Nastale suspenzije so bile sonikirane (30 min, 1,3 × 105J) in po sušenju (pri 373 K) je bil proizveden ultrazvočno obdelan grafen oksid. FTIR spektroskopija je pokazala, da ultrazvočna obdelava ni spremenila funkcionalnih skupin grafen oksida.

SEM slika grafenskih neokrnjenih nanolistov, pridobljenih z ultrasonication (Oh et al., 2010)

Funkcionalizacija grafenskih listov

Xu in Suslick (2011) opisujeta priročno metodo v enem koraku za pripravo polistirenskega funkcionaliziranega grafita. V svoji študiji so kot osnovno surovino uporabili grafitne kosmiče in stiren. Z ultrazvočnim obsevanjem grafitnih kosmičev v stirenu (reaktivni monomer) je ultrazvočno obsevanje povzročilo mehanokemično luščenje grafitnih kosmičev v enoslojne in večplastne grafenske plošče. Hkrati je bila dosežena funkcionalizacija grafenskih listov s polistirenskimi verigami.
Enak postopek funkcionalizacije se lahko izvede z drugimi vinilnimi monomeri za kompozite na osnovi grafena.

Grafenske disperzije

Stopnja disperzije grafena in grafen oksida je izjemno pomembna za uporabo celotnega potenciala grafena z njegovimi specifičnimi značilnostmi. Če grafen ni razpršen v nadzorovanih pogojih, lahko polidisperznost disperzije grafena povzroči nepredvidljivo ali neidealno vedenje, ko je vključena v naprave, saj se lastnosti grafena razlikujejo glede na njegove strukturne parametre. Sonication je dokazano zdravljenje za oslabitev vmesnih sil in omogoča natančen nadzor pomembnih parametrov obdelave.
"Za grafen oksid (GO), ki se običajno lušči kot enoslojni listi, eden glavnih izzivov polidisperznosti izhaja iz sprememb v stranskem območju kosmičev. Dokazano je bilo, da se lahko povprečna stranska velikost GO premakne s 400 nm na 20 μm s spremembo grafitnega izhodiščnega materiala in pogojev ultrazvočnega razbijanja. (Green et al. 2010)
Ultrazvočna disperzija grafena, ki povzroča fine in celo koloidne suspenzije, je bila dokazana v različnih drugih študijah. (Liu et al. 2011 / Baby et al. 2011 / Choi et al. 2010)
(2010) so pokazali, da se z uporabo ultrasonication doseže stabilna grafenska disperzija z visoko koncentracijo 1 mg·mL−1 in relativno čiste grafenske plošče, pripravljene grafenske plošče pa kažejo visoko električno prevodnost 712 S·m⁻¹. Rezultati Fourierjevega transformiranega infrardečega spektra in Ramanovega spektra so pokazali, da ima metoda ultrazvočne priprave manj škode na kemičnih in kristalnih strukturah grafena.

Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati za piling grafena

Za izdelavo visokokakovostnih grafenskih nano-listov je potrebna zanesljiva visoko zmogljiva ultrazvočna oprema. Amplituda, tlak in temperatura so bistveni parametri, ki so ključni za ponovljivost in dosledno kakovost izdelkov. Hielscher Ultrasonics’ Ultrazvočni procesorji so zmogljivi in natančno nadzorovani sistemi, ki omogočajo natančno nastavitev procesnih parametrov in neprekinjen ultrazvočni izhod velike moči. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Naše stranke so zadovoljne z izjemno robustnostjo in zanesljivostjo Hielscher Ultrasonics sistemov. Namestitev na področjih težkih zahtev, zahtevnih okolij in delovanja 24/7 zagotavlja učinkovito in ekonomično obdelavo. Ultrazvočna intenzifikacija procesa skrajša čas obdelave in doseže boljše rezultate, tj. višjo kakovost, višje donose, inovativne izdelke.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:

Priprava ogljikovih nanozvitkov

Ogljikovi nanozvitki so podobni večstenskim ogljikovim nanocevkam. Razlika v primerjavi z MWCNT je v odprtih konicah in popolni dostopnosti notranjih površin drugim molekulam. Lahko jih sintetiziramo mokro-kemično z interkalacijo grafita s kalijem, luščenjem v vodi in ultrazvočnim razbijanjem koloidne suspenzije. (prim. Viculis et al. 2003) Ultrasonication pomaga pri pomikanju grafenskih monoplasti navzgor v ogljikove nanozvitke (glej sliko spodaj). Dosežena je bila visoka učinkovitost pretvorbe 80%, zaradi česar je proizvodnja nanozvitkov zanimiva za komercialno uporabo.

Ultrazvočna sinteza ogljikovih nanozvitkov (Viculis et al. 2003)

Priprava nanotrakov

Raziskovalna skupina Hongjie Dai in njegovi sodelavci z univerze Stanford so našli tehniko za pripravo nanotrakov. Grafenski trakovi so tanki trakovi grafena, ki imajo lahko še bolj uporabne lastnosti kot grafenski listi. Pri širinah približno 10 nm ali manj je obnašanje grafenskih trakov podobno polprevodniku, saj so elektroni prisiljeni premikati po dolžini. Zato bi bilo zanimivo uporabiti nanotrakove s polprevodniškimi funkcijami v elektroniki (npr. Za manjše, hitrejše računalniške čipe).
Priprava grafenskih nanotrakov temelji na dveh korakih: prvič, sprostili so plasti grafena iz grafita s toplotno obdelavo 1000 ° C za eno minuto v 3% vodiku v plinu argon. Nato je bil grafen z ultrazvokom razdeljen na trakove. Za nanotrakove, pridobljene s to tehniko, je značilno veliko bolj gladko’ robovi od tistih, ki so narejeni z običajnimi litografskimi sredstvi. (Jiao et al. 2009)