Ултразвучна производња графена

Ултразвучна синтеза графена путем графитног пилинга је најпоузданији и најповољнији метод за производњу висококвалитетних листова графена у индустријском обиму. Хиелсцхер ултразвучни процесори високих перформанси се прецизно контролишу и могу да генеришу веома велике амплитуде у раду 24 сата дневно. Ово омогућава припрему великих количина нетакнутог графена на лак и контролисан начин величине.

Ултразвучна припрема графена

Пошто су познате изванредне карактеристике графита, развијено је неколико метода за његову припрему. Поред хемијске производње графена из графен оксида у вишестепеним процесима, за које су потребна веома јака оксидациона и редукциона средства. Поред тога, графен припремљен у овим тешким хемијским условима често садржи велику количину дефеката чак и након редукције у поређењу са графенима добијеним другим методама. Међутим, ултразвук је доказана алтернатива за производњу висококвалитетног графена, такође у великим количинама. Истраживачи су развили мало другачије начине користећи ултразвук, али генерално, производња графена је једноставан процес у једном кораку.

Брза секвенца (од а до ф) рамова која илуструје сономеханичко пилинг графитне пахуљице у води користећи УП200С, ултрасоникатор од 200 В са сонотродом од 3 мм. Стрелице показују место цепања (пилинга) са мехурицима кавитације који продиру у расцеп.
(студија и слике: © Тиурнина ет ал. 2020

Предности ултразвучног пилинга графеном

Ултрасоникатори и реактори типа Хиелсцхер сонде претварају пилинг графена у високо ефикасан процес који се користи за производњу графена из графита применом моћних ултразвучних таласа. Ова техника нуди неколико предности у односу на друге методе производње графена. Главне предности ултразвучног пилинга графеном су следеће:

• Висока ефикасност: Ексфолијација графена ултразвуком типа сонде је веома ефикасан метод производње графена. Може да произведе велике количине висококвалитетног графена у кратком временском периоду.
• Ниска цена: Опрема потребна за ултразвучни пилинг у индустријској производњи графена је релативно јефтина у поређењу са другим методама производње графена, као што су хемијско таложење паре (ЦВД) и механичко пилинг.
• Прилагодљивост: Пилинг графена преко ултрасоникатора може се лако повећати за производњу графена великих размера. Ултразвучни пилинг и дисперзија графена се могу изводити у серијама као иу континуираном инлине процесу. То га чини одрживом опцијом за индустријске примене.
• Контрола над својствима графена: Ексфолијација и деламинација графена коришћењем ултразвучне сонде омогућава прецизну контролу над својствима произведеног графена. Ово укључује његову величину, дебљину и број слојева.
• Минимални утицај на животну средину: Ексфолијација графена помоћу ултразвучног доказано је зелена метода производње графена, јер се може користити са нетоксичним, еколошки бенигним растварачима као што су вода или етанол. То значи да ултразвучно раздвајање графена омогућава да се избегне или смањи употреба јаких хемикалија или високих температура. Ово га чини еколошки прихватљивом алтернативом другим методама производње графена.

Све у свему, ексфолијација графена коришћењем ултразвучних апарата и реактора типа Хиелсцхер сонде нуди исплатив, скалабилан и еколошки прихватљив метод производње графена са прецизном контролом својстава резултујућег материјала.

Пример за једноставну производњу графена помоћу ултразвука

Графит се додаје у мешавину разблажене органске киселине, алкохола и воде, а затим се смеша излаже ултразвучном зрачењу. Киселина ради као а “молекуларни клин” који одваја листове графена од матичног графита. Овим једноставним процесом ствара се велика количина неоштећеног, висококвалитетног графена распршеног у води. (Ан ет ал. 2010)
 

Директно пилинг графеном

Ултразвук омогућава припрему графена у органским растварачима, сурфактантима/воденим растворима или јонским течностима. То значи да се употреба јаких оксидационих или редукционих средстава може избећи. Станковић и др. (2007) су произвели графен пилингом под ултразвуком.
АФМ слике графенског оксида ексфолиираног ултразвучним третманом у концентрацијама од 1 мг/мЛ у води увек су откривале присуство листова уједначене дебљине (~ 1 нм; пример је приказан на слици испод). Ови добро ољуштени узорци графенског оксида нису садржали листове дебље или тање од 1 нм, што је довело до закључка да је потпуна ексфолијација графенског оксида до појединачних листова графен оксида заиста постигнута под овим условима. (Станковић ет ал. 2007)

АФМ слика ољуштених ГО листова са три профила висине добијена на различитим локацијама
(слика и студија: ©Станковицх ет ал., 2007)

Припрема графенских листова

Стенгл и др. су показали успешну припрему чистих листова графена у великим количинама током производње нестехиометријског ТиО2 графенског нанокомпозита термичком хидролизом суспензије са нанолистовима графена и титанијум пероксо комплексом. Чисте наноплоче графена су произведене од природног графита коришћењем кавитационог поља високог интензитета које генерише Хиелсцхер ултразвучни процесор УИП1000хд у ултразвучном реактору под притиском на 5 бара. Добијени листови графена, са високом специфичном површином и јединственим електронским својствима, могу се користити као добра подршка за ТиО2 за побољшање фотокаталитичке активности. Истраживачка група тврди да је квалитет ултразвучно припремљеног графена много већи од графена добијеног Хамеровом методом, где се графит љушти и оксидира. Како се физички услови у ултразвучном реактору могу прецизно контролисати и уз претпоставку да ће концентрација графена као допанта варирати у опсегу од 1 – 0.001%, производња графена у континуираном систему у комерцијалним размерама се лако инсталира. Индустријски ултразвучни апарати и инлине реактори за ефикасно пилинг висококвалитетног графена су лако доступни.

Припрема ултразвучног третмана графен оксида

Ох ет ал. (2010) су показали пут припреме коришћењем ултразвучног зрачења за производњу слојева графен оксида (ГО). Због тога су суспендовали двадесет пет милиграма праха графен оксида у 200 мл дејонизоване воде. Мешањем добијају нехомогену смеђу суспензију. Добијене суспензије су обрађене соникацијом (30 мин, 1,3 × 105Ј), а након сушења (на 373 К) произведен је ултразвучно обрађен графен оксид. ФТИР спектроскопија је показала да ултразвучни третман није променио функционалне групе графен оксида.

СЕМ слика чистих нано листова графена добијених ултразвуком (Ох ет ал., 2010)

Функционализација графенских листова

Ксу и Суслицк (2011) описују погодну методу у једном кораку за припрему полистиренског функционализованог графита. У својој студији користили су графитне љуспице и стирен као основну сировину. Соницирањем графитних пахуљица у стирен (реактивни мономер), ултразвучно зрачење је резултирало механохемијским пилингом графитних пахуљица у једнослојне и вишеслојне графенске плоче. Истовремено је постигнута функционализација графенских листова са полистиренским ланцима.
Исти процес функционализације може се спровести и са другим винил мономерима за композите на бази графена.

Грапхене Дисперсионс

Степен дисперзије графена и графен оксида је изузетно важан да би се искористио пуни потенцијал графена са његовим специфичним карактеристикама. Ако се графен не распршује у контролисаним условима, полидисперзност дисперзије графена може довести до непредвидивог или неидеалног понашања када се угради у уређаје јер својства графена варирају у зависности од његових структурних параметара. Соникација је доказан третман за слабљење међуслојних сила и омогућава прецизну контролу важних параметара обраде.
„За графен оксид (ГО), који се обично љушти као једнослојни листови, један од главних изазова полидисперзности произилази из варијација у бочном подручју љускица. Показало се да се средња бочна величина ГО може померити са 400 нм на 20 μм променом почетног материјала графита и услова соникације. (Грин ет ал. 2010)
Ултразвучно распршивање графена што доводи до финих, па чак и колоидних суспензија, демонстрирано је у разним другим студијама. (Лиу ет ал. 2011/ Баби ет ал. 2011/ Цхои ет ал. 2010)
Зханг ет ал. (2010) су показали да се употребом ултразвучне обраде постиже стабилна дисперзија графена са високом концентрацијом од 1 мг·мЛ−1 и релативно чисти листови графена, а припремљени листови графена показују високу електричну проводљивост од 712 С· м⁻¹. Резултати Фуријеове трансформације инфрацрвених спектра и испитивања Рамановог спектра показали су да метода ултразвучне припреме мање оштећује хемијске и кристалне структуре графена.

Ултрасоникатори високих перформанси за пилинг графена

За производњу висококвалитетних нано листова графена потребна је поуздана ултразвучна опрема високих перформанси. Амплитуда, притисак и температура су битни параметри, који су кључни за поновљивост и доследан квалитет производа. Хиелсцхер Ултрасоницс’ ултразвучни процесори су моћни и прецизно контролисани системи, који омогућавају тачно подешавање параметара процеса и континуирани ултразвучни излаз велике снаге. Хиелсцхер Ултрасоницс индустријски ултразвучни процесори могу да испоруче веома високе амплитуде. Амплитуде до 200 µм могу се лако радити у континуитету у раду 24/7. За још веће амплитуде, доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде. Робусност Хиелсцхерове ултразвучне опреме омогућава 24/7 рад у тешким условима иу захтевним окружењима.
Наши купци су задовољни изузетном робусношћу и поузданошћу Хиелсцхер Ултрасоницс система. Инсталација у областима тешке примене, захтевним окружењима и 24/7 рад обезбеђује ефикасну и економичну обраду. Ултразвучно интензивирање процеса скраћује време обраде и постиже боље резултате, односно већи квалитет, већи приноси, иновативни производи.
Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата:

Припрема угљеничних наноскролова

Угљенични наноскролови су слични угљеничним наноцевима са више зидова. Разлика у односу на МВЦНТ су отворени врхови и потпуна доступност унутрашњих површина другим молекулима. Могу се синтетизовати влажним хемијским путем интеркалацијом графита са калијумом, пилингом у води и соникацијом колоидне суспензије. (цф. Вицулис ет ал. 2003.) Ултразвучна обрада помаже да се монослојеви графена померају нагоре у угљеничне наноскролове (види слику испод). Постигнута је висока ефикасност конверзије од 80%, што чини производњу наноскролова интересантном за комерцијалну примену.

Ултразвучна синтеза угљеничних наноскролова (Вицулис ет ал. 2003)

Припрема нанориббонс

Истраживачка група Хонгјие Даија и његових колега са Универзитета Станфорд пронашла је технику за припрему нанотрака. Графенске траке су танке траке графена које могу имати још корисније карактеристике од листова графена. На ширинама од око 10 нм или мање, понашање графенских трака је слично полупроводнику јер су електрони приморани да се крећу по дужини. Стога би могло бити интересантно користити нанотраке са функцијама сличним полупроводницима у електроници (нпр. за мање, брже компјутерске чипове).
Даи ет ал. припрема базе графенских нанотрака у два корака: прво, олабавили су слојеве графена од графита топлотном обрадом од 1000ºЦ у трајању од једног минута у 3% водоника у гасу аргон. Затим је графен разбијен на траке помоћу ултразвука. Нанотраке добијене овом техником карактеришу много „глађе“.’ ивице од оних израђених конвенционалним литографским средствима. (Јиао ет ал. 2009.)