Grafen me një shtresë në shkallë industriale përmes eksfolimit ultrasonik

Grafeni është bërë një nga materialet më tërheqëse të shkencës moderne – dhe me arsye të forta. Ai nuk është thjesht “një material tjetër karboni”. Grafeni është një shtresë e vetme atomike karboni, e organizuar në një rrjetë kristalore me strukturë hualli të renditur në mënyrë të përsosur, dhe kjo strukturë në dukje e thjeshtë krijon një kombinim mahnitës vetish që pak materiale mund ta barazojnë.
Sfida mbetet gjithmonë: Si të prodhojmë grafen me një shtresë, me cilësi të lartë, në mënyrë efikase, me cilësi të qëndrueshme dhe në sasi industriale?
Pikërisht këtu eksfolimi ultrasonik me performancë të lartë – veçanërisht me sonikatorët me sondë të Hielscher – ofron një zgjidhje praktike që mund të zbatohet në shkallë më të madhe.

Problemi: Prodhimi në shkallë të gjerë i grafenit me një shtresë

Grafeni gjendet natyrshëm brenda grafitit, ku miliona shtresa grafeni janë të stivuara ngjeshur njëra mbi tjetrën. Këto shtresa mbahen së bashku nga forca të forta ndërshtresore (ndërveprime van der Waals), gjë që e bën të vështirë ndarjen e tyre të pastër.

Synimi është i qartë:

• Rendiment i lartë i grafenit me një shtresë
• Dëmtim minimal i rrjetës kristalore të grafenit
• Madhësi dhe morfologji uniforme të fletëve
• Mundësi zgjerimi deri në vëllime industriale
• Me kosto efektive dhe i qëndrueshëm nga ana mjedisore

Metodat tradicionale e kanë të vështirë t’i përmbushin të gjitha këto kërkesa njëkohësisht.

Pse metodat konvencionale të eksfolimit nuk i përmbushin kërkesat

Metodat konvencionale të eksfolimit përfshijnë eksfolimin mekanik, kimik dhe në fazë të lëngët. Të gjitha këto metoda kanë kufizime që e bëjnë prodhimin e grafenit joefikas dhe/ose të rrezikshëm.

Eksfolimi mekanik

Teknika mekanike më e njohur është metoda e famshme me “shirit ngjitës Scotch”. Ajo mund të prodhojë grafen të pandryshuar, por:

• rendimentet janë jashtëzakonisht të ulëta
• fletët janë të parregullta
• është krejtësisht jopraktike për prodhim

Eksfolimi kimik

Kjo metodë përdor acide të forta dhe oksidues për të këputur lidhjet ndërmjet shtresave, por:

• fut papastërti dhe defekte
• gjeneron mbetje kimike
• rrit koston për shkak të tretësve, kimikateve dhe asgjësimit të mbetjeve
• ndryshon përbërjen kimike të grafenit (shpesh përgjithmonë)

Eksfolimi konvencional në fazë të lëngët

Kjo qasje mund të zbatohet më lehtë në shkallë më të madhe, por shpesh kërkon:

• tretës të veçantë si N-metil-2-pirolidoni (NMP) ose dimetilformamidi (DMF)
• kohë të gjata përpunimi
• rendiment dhe efikasitet të kufizuar të procesit pa furnizim të lartë me energji

Prodhimi ultrasonik i grafenit: Rruga përpara për industrinë

Sinteza ultrasonike e grafenit bëhet shumë efektive kur përdoret sonikimi me sondë me fuqi të lartë, i cili e transmeton energjinë drejtpërdrejt në suspension – shumë më me efikasitet sesa sonikimi në banjë ultrasonike.

Në praktikë, ultratingulli e mbështet prodhimin e grafenit përmes dy rrugëve kryesore:

Metoda 1: Metoda e Hummers e asistuar me ultratinguj (oksidi i grafenit)

Metoda e Hummers është një rrugë kimike në të cilën grafiti oksidohet duke përdorur një përzierje acidesh të forta dhe agjentësh oksidues – zakonisht acid sulfurik, acid nitrik dhe permanganat kaliumi. Gjatë këtij reaksioni, në rrjetën kristalore të karbonit futen grupe funksionale që përmbajnë oksigjen, si grupet hidroksil, epoksid dhe karboksil. Rezultati është oksidi i grafenit (GO), një derivat i grafenit i modifikuar kimikisht.

Kur ultratingulli aplikohet gjatë këtij procesi, ai e rrit ndjeshëm efikasitetin e reaksionit. Përzierja me ultratinguj përmirëson transferimin e masës ndërmjet reaktantëve dhe grimcave të grafitit, duke siguruar oksidim më uniform. Në të njëjtën kohë, forcat prerëse të shkaktuara nga kavitacioni nxisin ndarjen e shtresave të grafitit të oksiduar në fletë individuale, duke përshpejtuar eksfolimin dhe duke përmirësuar cilësinë e dispersionit.

Çfarë bën ultratingulli këtu:

• përmirëson transferimin e masës
• përshpejton dispergimin
• ndihmon në ndarjen e shtresave të oksiduara në fletë të veçanta

Produkti i kësaj metode është oksidi i grafenit në formën e fletëve me një ose pak shtresa, të cilat dispergohen lehtësisht në ujë falë vetive kimike hidrofile të sipërfaqes së tyre. Për shkak të grupeve funksionale të shtuara, oksidi i grafenit është shumë reaktiv dhe mjaft i përshtatshëm për funksionalizim kimik të mëtejshëm, integrim në kompozite ose reduktim në struktura të modifikuara të grafenit.

Çfarë prodhon metoda Hummer e asistuar me ultratinguj:

• fletë të oksidit të grafenit
• dispersione hidrofile në ujë
• një formë e grafenit e modifikuar kimikisht, e përshtatshme për funksionalizim

Kjo qasje është veçanërisht e përshtatshme kur objektivi nuk është grafeni i pamodifikuar, por një material aktiv në sipërfaqe, me veti kimike të rregullueshme, i projektuar për modifikim të mëtejshëm ose për zbatime specifike në ndërfaqe.

Paraqitje grafike e sintezës së grafenit të përftuar me metodën Hummer dhe teknikën e dispergimit duke përdorur dodecilbenzensulfonat natriumi (SDS): (A) struktura e grafitit; (B) nanopllakëza të disperguara të grafenit duke përdorur sonikatorin UP100H; (C) oksid i reduktuar i grafenit; dhe (D) oksid i grafenit.
(Studimi dhe grafika: Ghanem dhe Rehim, 2018)

Metoda 2: Eksfolimi me ultratinguj në fazë të lëngët (grafen i pamodifikuar)

Në eksfolimin me ultratinguj në fazë të lëngët, grafiti në masë dispergohet në një tretës të përshtatshëm – zakonisht N-metil-2-pirrolidon (NMP) ose dimetilformamid (DMF) – dhe i nënshtrohet ultratingujve me fuqi të lartë. Ndryshe nga metodat oksiduese, ky proces është në thelb fizik dhe jo kimik.

Energjia e aplikuar e ultratingujve gjeneron forca intensive kavitacioni brenda lëngut. Këto forca kapërcejnë ndërveprimet van der Waals që i mbajnë së bashku shtresat e grafenit, duke e ndarë fizikisht grafitin në fletë individuale grafeni. Ndërsa eksfolimi përparon, brenda mjedisit tretës formohen dispersione të qëndrueshme të nanofletëve të grafenit.
Çfarë bëjnë ultratingujt këtu:

• e ndajnë fizikisht grafitin në shtresa
• ndajnë shtresat individuale të grafenit
• formojnë dispersione të qëndrueshme të grafenit

Kjo metodë preferohet kur qëllimi kryesor është të ruhet integriteti i rrjetës origjinale të karbonit sp². Meqë nuk përfshihen agjentë oksidues agresivë, struktura kristalore dhe vetitë elektrike e mekanike të qenësishme të grafenit mund të ruhen në një masë shumë më të madhe. Përveç kësaj, eksfolimi me ultratinguj në fazë të lëngët është mjaft i përshtatshëm për prodhim që mund të zgjerohet në shkallë, duke mundësuar një kalim të besueshëm nga kërkimi laboratorik te prodhimi industrial, duke ruajtur njëtrajtshmërinë e produktit.
Kjo qasje është zgjedhja e preferuar kur qëllimi juaj është:

• Ruajtja e rrjetës origjinale sp²
• Prodhimi i nanofletëve të grafenit me cilësi të lartë
• Zgjerimi i besueshëm i shkallës së prodhimit

Në përmbledhje, ndërsa metoda Hummers i jep përparësi modifikimit kimik, eksfolimi me ultratinguj në fazë të lëngët përqendrohet në ruajtjen e strukturës dhe në prodhimin e nanofletëve të grafenit me cilësi të lartë.

Një sekuencë kuadrosh e regjistruar me shpejtësi të lartë (nga a në f), që ilustron eksfolimin sonomekanik të një petëze grafiti në ujë duke përdorur UP200S, një ultrasonikator 200W me sonotrodë 3-mm. Shigjetat tregojnë vendin e çarjes (eksfolimit), ku flluskat e kavitacionit depërtojnë në çarje.
(studimi dhe fotografitë: © Tyurnina et al. 2020

Zgjedhja e rrugës së duhur: Ruajtje apo modifikim?

Një pyetje e thjeshtë përcakton metodën më të mirë:
Dëshironi grafen të pamodifikuar – apo oksid grafeni të funksionalizuar?

Eksfolimi në fazë të lëngët përqendrohet në ruajtjen e rrjetës dhe në kapërcimin e butë të forcave ndërmjet shtresave.
Metoda Hummers i ndryshon qëllimisht vetitë kimike, duke shtuar grupe që përmbajnë oksigjen dhe defekte, ndërsa ultratingujt kryesisht përmirësojnë dispergimin dhe jo mbrojtjen e strukturës.

Ky ndryshim ndikon fuqishëm në performancën dhe potencialin e zbatimit të grafenit përfundimtar.

Pse eksfolimi me ultratinguj shkëlqen në prodhimin industrial të grafenit

Krahasuar me qasjet konvencionale të eksfolimit, eksfolimi me ultratinguj në fazë të lëngët ofron një kombinim të rrallë të efikasitetit, cilësisë së produktit dhe mundësisë së rritjes së shkallës së prodhimit në nivel industrial.
Një nga përparësitë e tij më të rëndësishme është rendimenti i lartë i eksfolimit. Në kushte të optimizuara përpunimi, kavitacioni ultrasonik mund të ndajë fletët e grafenit nga grafiti me efikasitet jashtëzakonisht të lartë, duke përftuar shpesh material kryesisht njështresor. Kjo përbën një përmirësim të konsiderueshëm krahasuar me eksfolimin mekanik, i cili prodhon vetëm sasi minimale grafeni të përdorshëm.
Njëtrajtshmëria është një tjetër faktor vendimtar. Meqë procesi i kavitacionit mund të kontrollohet me kujdes, fletët e grafenit që përftohen priren të kenë trashësi dhe morfologji të njëtrajtshme. Kjo riprodhueshmëri është thelbësore për zbatimet industriale ku njëtrajtshmëria e materialit ndikon drejtpërdrejt në performancën e produktit.
Mundësia e rritjes së shkallës së përpunimit e dallon më tej përpunimin me ultratinguj. Ajo që funksionon në një gotë laboratorike mund të transferohet në shkallë pilot dhe, përfundimisht, në prodhim industrial në linjë. Reaktorët ultrasonikë me rrjedhje të vazhdueshme mundësojnë përpunimin e vëllimeve të mëdha të dispersionit të grafitit në kushte të kontrolluara dhe të përsëritshme, duke e bërë teknologjinë të zbatueshme nga ana tregtare.
Kontrolli i procesit shton më tej fleksibilitetin. Parametra si amplituda, fuqia ultrasonike e aplikuar, presioni, temperatura dhe koha e qëndrimit mund të rregullohen me saktësi. Kjo u mundëson prodhuesve t’i përshtatin karakteristikat e grafenit me kërkesat specifike të zbatimit, duke ruajtur riprodhueshmërinë.
Së fundi, eksfolimi me ultratinguj në fazë të lëngët mund të realizohet duke përdorur sisteme tretësish më të qëndrueshme nga ana mjedisore. Në varësi të formulimit dhe zbatimit të synuar, mund të përdoren sisteme me bazë etanoli, lëngje jonike ose edhe mjedise ujore, duke ofruar përparësi mjedisore dhe rregullatore krahasuar me rrugët kimike fort oksiduese.

Pse sonikatorët Hielscher me sondë janë idealë për eksfolimin e grafenit

Hielscher Ultrasonics ofron një platformë të plotë teknologjike posaçërisht të përshtatshme për përpunimin e grafenit.
Përparësitë kryesore përfshijnë:

• ultratinguj me sondë (shumë më efikasë se sonikimi në banjë)
• mundësi të rritjes së shkallës nga sistemet e dorës dhe ato të tavolinës deri te reaktorët industrialë që punojnë 24/7
• kontroll të saktë të amplitudës, fuqisë dhe presionit
• konstruksion të fortë, të standardit industrial, për funksionim të vazhdueshëm

Përpunimi me lote kundrejt përpunimit në linjë: Nga laboratori në fabrikë

Sistemet Hielscher mundësojnë si përpunimin me lote, ashtu edhe përpunimin në linjë, duke lejuar kalimin pa pengesa nga kërkimi në prodhim.
Sonikimi me lote është i thjeshtë për t’u zbatuar dhe veçanërisht i përshtatshëm për kërkime laboratorike, zhvillimin e formulimeve dhe prodhimin e grafenit në shkallë të vogël. Ai ofron fleksibilitet dhe optimizim të shpejtë të parametrave, duke qenë ideal gjatë fazave të hershme të zhvillimit të procesit.
Megjithatë, për prodhimin në shkallë industriale zakonisht parapëlqehet përpunimi në linjë. Në këtë konfigurim, dispersioni i grafitit pompohet vazhdimisht përmes një reaktori ultrasonik me qelizë rrjedhjeje. Kjo siguron ekspozim të njëtrajtshëm ndaj forcave të kavitacionit, duke dhënë cilësi të njëtrajtshme eksfolimi dhe kapacitet të lartë përpunimi. Kur përdoren reaktorë që mund të vihen nën presion, intensiteti i kavitacionit mund të rritet më tej, duke rritur efikasitetin e eksfolimit dhe produktivitetin.
Projektimi modular i sistemeve Hielscher u mundëson kompanive të fillojnë me eksperimente në shkallë laboratorike në tavolinë dhe të kalojnë në prodhim industrial plotësisht të vazhdueshëm, 24/7, pa ndryshuar platformën teknologjike bazë.

Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të pajisjeve tona me ultratinguj:

Përtej grafenit: Ultratinguj për materiale 2D (“Xenes”)

Eksfolimi me ultratinguj nuk kufizohet te grafeni.
Ai përdoret gjerësisht edhe për prodhimin e kseneneve, analogëve 2D njështresorë të grafenit, duke përfshirë:

• Borofenin (dhe nanoshiritat e borofenit / oksidin e borofenit)
• MXenes (karbure, nitrure dhe karbonitrure 2D të metaleve kalimtare)
• Bismutenin (i njohur për elektrokatalizën dhe biopajtueshmërinë)
• Silicenin (silic 2D i ngjashëm me grafenin)

I njëjti mekanizëm kavitacioni e bën përdorimin e ultratingujve një nga rrugët me potencialin më të madh për rritjen e shkallës së prodhimit për shumë materiale 2D shtresore.