การผลิตกราฟีนอัลตราโซนิก

การสังเคราะห์กราฟีนด้วยอัลตราโซนิกผ่านการขัดผิวกราไฟท์เป็นวิธีที่น่าเชื่อถือและเป็นประโยชน์ที่สุดในการผลิตแผ่นกราฟีนคุณภาพสูงในระดับอุตสาหกรรม โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงของ Hielscher สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยําและสามารถสร้างแอมพลิจูดที่สูงมากในการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สิ่งนี้ช่วยให้สามารถเตรียมกราฟีนบริสุทธิ์ในปริมาณมากด้วยวิธีที่ง่ายและควบคุมขนาดได้

การเตรียมอัลตราโซนิกของกราฟีน

เนื่องจากเป็นที่ทราบถึงลักษณะพิเศษของกราไฟท์จึงมีการพัฒนาวิธีการเตรียมหลายวิธี นอกเหนือจากการผลิตกราฟีนทางเคมีจากกราฟีนออกไซด์ในกระบวนการหลายขั้นตอนซึ่งจําเป็นต้องมีสารออกซิไดซ์และรีดิวซ์ที่รุนแรงมาก นอกจากนี้ กราฟีนที่เตรียมภายใต้สภาวะทางเคมีที่รุนแรงเหล่านี้มักมีข้อบกพร่องจํานวนมากแม้จะลดลงเมื่อเทียบกับกราฟีนที่ได้จากวิธีอื่น อย่างไรก็ตามอัลตราซาวนด์เป็นทางเลือกที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในการผลิตกราฟีนคุณภาพสูงในปริมาณมาก นักวิจัยได้พัฒนาวิธีที่แตกต่างกันเล็กน้อยโดยใช้อัลตราซาวนด์ แต่โดยทั่วไปการผลิตกราฟีนเป็นกระบวนการขั้นตอนเดียวที่เรียบง่าย

ลําดับความเร็วสูง (จาก a ถึง f) ของเฟรมที่แสดงให้เห็นถึงการขัดผิวแบบกลไกของเกล็ดกราไฟท์ในน้ํา ใช้ UP200S เครื่องอัลตราโซนิก 200W พร้อม sonotrode 3 มม. ลูกศรแสดงตําแหน่งของการแยก (การขัดผิว) โดยมีฟองอากาศที่แทรกซึมเข้าไปในการแยก
(การศึกษาและรูปภาพ: © Tyurnina et al. 2020

ข้อดีของการขัดผิวกราฟีนอัลตราโซนิก

เครื่องอัลตราโซนิกและเครื่องปฏิกรณ์ชนิดโพรบ Hielscher เปลี่ยนการขัดผิวกราฟีนให้เป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพสูงที่ใช้ในการผลิตกราฟีนจากกราไฟท์ผ่านการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ที่ทรงพลัง เทคนิคนี้มีข้อดีหลายประการเหนือวิธีการผลิตกราฟีนอื่นๆ ประโยชน์หลักของการขัดผิวกราฟีนอัลตราโซนิกมีดังต่อไปนี้:

• ประสิทธิภาพสูง: การขัดผิวกราฟีนผ่านอัลตราโซนิกแบบโพรบเป็นวิธีการผลิตกราฟีนที่มีประสิทธิภาพมาก สามารถผลิตกราฟีนคุณภาพสูงจํานวนมากได้ในเวลาอันสั้น
• ราคาถูก: อุปกรณ์ที่จําเป็นสําหรับการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกในการผลิตกราฟีนอุตสาหกรรมมีราคาไม่แพงนักเมื่อเทียบกับวิธีการผลิตกราฟีนอื่น ๆ เช่นการสะสมไอเคมี (CVD) และการขัดผิวเชิงกล
• ความสามารถในการปรับขนาด: การขัดผิวกราฟีนผ่านเครื่องอัลตราโซนิกสามารถขยายขนาดได้อย่างง่ายดายสําหรับการผลิตกราฟีนขนาดใหญ่ การขัดผิวอัลตราโซนิกและการกระจายตัวของกราฟีนสามารถทํางานเป็นชุดและในกระบวนการอินไลน์ต่อเนื่อง ทําให้เป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้สําหรับการใช้งานระดับอุตสาหกรรม
• ควบคุมคุณสมบัติของกราฟีน: การขัดผิวและการหลุดลอกกราฟีนโดยใช้อัลตราโซนิกแบบโพรบช่วยให้สามารถควบคุมคุณสมบัติของกราฟีนที่ผลิตได้อย่างแม่นยํา ซึ่งรวมถึงขนาด ความหนา และจํานวนชั้น
• ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด: การขัดผิวกราฟีนโดยใช้อัลตราโซนิกที่ได้รับการพิสูจน์แล้วเป็นวิธีการผลิตกราฟีนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเนื่องจากสามารถใช้กับตัวทําละลายปลอดสารพิษและไม่เป็นพิษต่อสิ่งแวดล้อมเช่นน้ําหรือเอทานอล ซึ่งหมายความว่าการหลุดลอกกราฟีนแบบอัลตราโซนิกช่วยให้สามารถหลีกเลี่ยงหรือลดการใช้สารเคมีที่รุนแรงหรืออุณหภูมิสูง ทําให้เป็นทางเลือกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมสําหรับวิธีการผลิตกราฟีนอื่นๆ

โดยรวมแล้วการขัดผิวกราฟีนโดยใช้เครื่องอัลตราโซนิกและเครื่องปฏิกรณ์แบบโพรบ Hielscher นําเสนอวิธีการผลิตกราฟีนที่คุ้มค่าปรับขนาดได้และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมพร้อมการควบคุมคุณสมบัติของวัสดุที่ได้อย่างแม่นยํา

ตัวอย่างสําหรับการผลิตกราฟีนอย่างง่ายโดยใช้ Sonication

กราไฟท์ถูกเติมลงในส่วนผสมของกรดอินทรีย์เจือจางแอลกอฮอล์และน้ําจากนั้นส่วนผสมจะถูกสัมผัสกับรังสีอัลตราโซนิก กรดทํางานเป็น “ลิ่มโมเลกุล” ซึ่งแยกแผ่นกราฟีนออกจากกราไฟท์แม่ ด้วยกระบวนการง่ายๆ นี้ กราฟีนคุณภาพสูงที่ไม่เสียหายจํานวนมากจะกระจายอยู่ในน้ํา (An และคณะ 2010)
 

กราฟีนขัดผิวโดยตรง

อัลตราซาวนด์ช่วยให้สามารถเตรียมกราฟีนในตัวทําละลายอินทรีย์ สารลดแรงตึงผิว/สารละลายน้ํา หรือของเหลวไอออนิก ซึ่งหมายความว่าสามารถหลีกเลี่ยงการใช้สารออกซิไดซ์หรือรีดิวซ์ที่รุนแรงได้ Stankovich et al. (2007) ผลิตกราฟีนโดยการขัดผิวภายใต้อัลตราโซนิก
ภาพ AFM ของกราฟีนออกไซด์ที่ขัดผิวโดยการบําบัดด้วยอัลตราโซนิกที่ความเข้มข้น 1 มก./มล. ในน้ํามักจะเผยให้เห็นการมีอยู่ของแผ่นที่มีความหนาสม่ําเสมอ (~1 นาโนเมตร ตัวอย่างแสดงในภาพด้านล่าง) ตัวอย่างกราฟีนออกไซด์ที่ขัดผิวอย่างดีเหล่านี้ไม่มีแผ่นที่หนาหรือบางกว่า 1 นาโนเมตร ซึ่งนําไปสู่ข้อสรุปว่าการขัดผิวกราฟีนออกไซด์อย่างสมบูรณ์จนถึงแผ่นกราฟีนออกไซด์แต่ละแผ่นนั้นทําได้ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ (Stankovich et al. 2007)

ภาพ AFM ของแผ่น GO ที่ขัดผิวด้วยโปรไฟล์ความสูงสามระดับที่ได้มาในสถานที่ต่างๆ
(ภาพและการศึกษา: ©Stankovich et al., 2007)

การเตรียมแผ่นกราฟีน

Stengl และคณะ ได้แสดงให้เห็นถึงความสําเร็จในการเตรียมแผ่นกราฟีนบริสุทธิ์ในปริมาณมากในระหว่างการผลิตนาโนคอมโพซิฟิกกราฟีน TiO2 ที่ไม่ใช่สโตอิจิโอเมตริกโดยการไฮโดรไลซิสด้วยความร้อนของสารแขวนลอยด้วยแผ่นนาโนกราฟีนและคอมเพล็กซ์ไททาเนียเพอรอกโซ แผ่นนาโนกราฟีนบริสุทธิ์ผลิตจากกราไฟท์ธรรมชาติโดยใช้สนามโพรงอากาศความเข้มสูงที่สร้างขึ้นโดยโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก Hielscher UIP1000hd ในเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกแรงดันที่ 5 บาร์ แผ่นกราฟีนที่ได้รับซึ่งมีพื้นที่ผิวจําเพาะสูงและคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์สามารถใช้เป็นตัวรองรับที่ดีสําหรับ TiO2 เพื่อเพิ่มกิจกรรมโฟโตคะตาไลติก กลุ่มวิจัยอ้างว่าคุณภาพของกราฟีนที่เตรียมด้วยอัลตราโซนิกนั้นสูงกว่ากราฟีนที่ได้จากวิธีของ Hummer มาก ซึ่งกราไฟท์จะถูกผลัดเซลล์ผิวและออกซิไดซ์ เนื่องจากสภาพทางกายภาพในเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยําและโดยสมมติฐานที่ว่าความเข้มข้นของกราฟีนเป็นสารเจือจะแตกต่างกันไปในช่วง 1 – 0.001% การผลิตกราฟีนในระบบต่อเนื่องในระดับเชิงพาณิชย์สามารถติดตั้งได้ง่าย เครื่องอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมและเครื่องปฏิกรณ์แบบอินไลน์สําหรับการขัดผิวกราฟีนคุณภาพสูงอย่างมีประสิทธิภาพพร้อมใช้งาน

การเตรียมโดยการบําบัดด้วยอัลตราโซนิกของกราฟีนออกไซด์

Oh et al. (2010) ได้แสดงเส้นทางการเตรียมโดยใช้การฉายรังสีอัลตราโซนิกเพื่อผลิตชั้นกราฟีนออกไซด์ (GO) ดังนั้นพวกเขาจึงแขวนผงกราฟีนออกไซด์ยี่สิบห้ามิลลิกรัมในน้ําปราศจากไอออน 200 มล. โดยการกวนพวกเขาได้สารแขวนลอยสีน้ําตาลที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน สารแขวนลอยที่ได้ถูก sonicated (30 นาที, 1.3 × 105J) และหลังจากการอบแห้ง (ที่ 373 K) กราฟีนออกไซด์ที่ผ่านการบําบัดด้วยอัลตราโซนิกจะถูกผลิตขึ้น สเปกโทรสโกปี FTIR แสดงให้เห็นว่าการรักษาด้วยอัลตราโซนิกไม่ได้เปลี่ยนกลุ่มการทํางานของกราฟีนออกไซด์

ภาพ SEM ของแผ่นนาโนที่บริสุทธิ์ของกราฟีนที่ได้จากอัลตราโซนิก (Oh et al., 2010)

การทํางานของแผ่นกราฟีน

Xu และ Suslick (2011) อธิบายวิธีการขั้นตอนเดียวที่สะดวกสําหรับการเตรียมกราไฟท์ที่ใช้งานได้ด้วยโพลีสไตรีน ในการศึกษาของพวกเขาพวกเขาใช้เกล็ดกราไฟท์และสไตรีนเป็นวัตถุดิบพื้นฐาน โดยการสะท้อนเกล็ดกราไฟท์ในสไตรีน (โมโนเมอร์ที่ทําปฏิกิริยา) การฉายรังสีอัลตราซาวนด์ส่งผลให้เกิดการขัดผิวด้วยกลไกเคมีของเกล็ดกราไฟท์เป็นแผ่นกราฟีนชั้นเดียวและไม่กี่ชั้น ในขณะเดียวกันก็สามารถทําหน้าที่ของแผ่นกราฟีนด้วยโซ่โพลีสไตรีนได้
กระบวนการเดียวกันนี้สามารถทําได้กับโมโนเมอร์ไวนิลอื่น ๆ สําหรับคอมโพสิตที่ใช้กราฟีน

การกระจายตัวของกราฟีน

เกรดการกระจายตัวของกราฟีนและกราฟีนออกไซด์มีความสําคัญอย่างยิ่งในการใช้ศักยภาพของกราฟีนอย่างเต็มที่ด้วยลักษณะเฉพาะ หากกราฟีนไม่กระจายตัวภายใต้สภาวะที่มีการควบคุมการกระจายตัวของกราฟีนสามารถนําไปสู่พฤติกรรมที่คาดเดาไม่ได้หรือไม่เหมาะเมื่อรวมเข้ากับอุปกรณ์เนื่องจากคุณสมบัติของกราฟีนแตกต่างกันไปตามฟังก์ชันของพารามิเตอร์โครงสร้าง Sonication เป็นการรักษาที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าสามารถลดแรงระหว่างชั้นและช่วยให้สามารถควบคุมพารามิเตอร์การประมวลผลที่สําคัญได้อย่างแม่นยํา
"สําหรับกราฟีนออกไซด์ (GO) ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะถูกขัดผิวเป็นแผ่นชั้นเดียว หนึ่งในความท้าทายหลักของการกระจายตัวของโพลีนั้นเกิดขึ้นจากความแปรปรวนของพื้นที่ด้านข้างของเกล็ด แสดงให้เห็นว่าขนาดด้านข้างเฉลี่ยของ GO สามารถเปลี่ยนจาก 400 นาโนเมตรเป็น 20 ไมโครเมตรโดยการเปลี่ยนวัสดุเริ่มต้นของกราไฟท์และเงื่อนไขการ sonication" (Green et al. 2010)
การกระจายตัวของกราฟีนด้วยอัลตราโซนิกส่งผลให้เกิดสารละลายละเอียดและแม้กระทั่งคอลลอยด์ได้รับการพิสูจน์ในการศึกษาอื่น ๆ (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) ได้แสดงให้เห็นว่าโดยการใช้อัลตราโซนิกการกระจายตัวของกราฟีนที่เสถียรที่มีความเข้มข้นสูง 1 มก. · mL − 1 และแผ่นกราฟีนที่ค่อนข้างบริสุทธิ์ และแผ่นกราฟีนที่เตรียมไว้แสดงค่าการนําไฟฟ้าสูงถึง 712 S·m⁻¹. ผลการตรวจสเปกตรัมอินฟราเรดที่แปลงฟูริเยร์และสเปกตรัมรามันบ่งชี้ว่าวิธีการเตรียมอัลตราโซนิกมีความเสียหายต่อโครงสร้างทางเคมีและผลึกของกราฟีนน้อยกว่า

เครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงสําหรับการขัดผิวกราฟีน

สําหรับการผลิตแผ่นนาโนกราฟีนคุณภาพสูงจําเป็นต้องมีอุปกรณ์อัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงที่เชื่อถือได้ แอมพลิจูด ความดัน และอุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์ที่จําเป็น ซึ่งมีความสําคัญต่อการทําซ้ําและคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่สม่ําเสมอ Hielscher อัลตราโซนิกส์’ โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกเป็นระบบที่ทรงพลังและควบคุมได้อย่างแม่นยําซึ่งช่วยให้สามารถตั้งค่าพารามิเตอร์กระบวนการได้อย่างแม่นยําและเอาต์พุตอัลตราซาวนด์กําลังสูงอย่างต่อเนื่อง โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรม Hielscher Ultrasonics สามารถให้แอมพลิจูดที่สูงมาก แอมพลิจูดสูงถึง 200μm สามารถทํางานต่อเนื่องได้อย่างง่ายดายในการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมี sonotrodes อัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยให้สามารถทํางานได้ตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันในงานหนักและในสภาพแวดล้อมที่ต้องการ
ลูกค้าของเราพึงพอใจกับความทนทานและความน่าเชื่อถือที่โดดเด่นของระบบอัลตราโซนิกของ Hielscher การติดตั้งในด้านการใช้งานหนักสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการและการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวันช่วยให้มั่นใจได้ถึงการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพและประหยัด การเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการอัลตราโซนิกช่วยลดเวลาในการประมวลผลและได้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้นเช่นคุณภาพที่สูงขึ้นผลผลิตที่สูงขึ้นผลิตภัณฑ์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่
ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

การเตรียมคาร์บอนนาโนคัมโรล

คาร์บอนนาโนสัมโรลคล้ายกับท่อนาโนคาร์บอนหลายผนัง ความแตกต่างของ MWCNTs คือปลายเปิดและการเข้าถึงพื้นผิวด้านในอย่างเต็มที่ไปยังโมเลกุลอื่น ๆ พวกเขาสามารถสังเคราะห์ทางเคมีเปียกได้โดยการแทรกกราไฟท์กับโพแทสเซียมขัดผิวในน้ําและโซนิกสารแขวนลอยคอลลอยด์ (อ้างอิง Viculis et al. 2003) อัลตราโซนิกช่วยในการเลื่อนขึ้นของชั้นเดียวของกราฟีนเป็นคาร์บอนนาโนครอว์ (ดูภาพด้านล่าง) ประสิทธิภาพการแปลงสูงถึง 80% ซึ่งทําให้การผลิตนาโนสคัปน่าสนใจสําหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์

การสังเคราะห์อัลตราโซนิกของคาร์บอนนาโนคัมโรล (Viculis et al. 2003)

การเตรียมนาโนริบบิ้น

กลุ่มวิจัยของ Hongjie Dai และเพื่อนร่วมงานจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดพบเทคนิคในการเตรียมริบบิ้นนาโน ริบบิ้นกราฟีนเป็นแถบกราฟีนบาง ๆ ที่อาจมีลักษณะที่มีประโยชน์มากกว่าแผ่นกราฟีน ที่ความกว้างประมาณ 10 นาโนเมตรหรือเล็กกว่าพฤติกรรมของริบบิ้นกราฟีนจะคล้ายกับเซมิคอนดักเตอร์เนื่องจากอิเล็กตรอนถูกบังคับให้เคลื่อนที่ตามยาว ด้วยเหตุนี้จึงน่าสนใจที่จะใช้ริบบิ้นนาโนที่มีฟังก์ชันคล้ายเซมิคอนดักเตอร์ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ (เช่นสําหรับชิปคอมพิวเตอร์ที่เล็กกว่าและเร็วกว่า)
Dai et al. การเตรียมฐานของริบบิ้นนาโนกราฟีนในสองขั้นตอน: ประการแรกพวกเขาคลายชั้นของกราฟีนจากกราไฟท์โดยการอบชุบด้วยความร้อน 1,000ºC เป็นเวลาหนึ่งนาทีในไฮโดรเจน 3% ในก๊าซอาร์กอน จากนั้นกราฟีนถูกแบ่งออกเป็นแถบโดยใช้อัลตราโซนิก นาโนริบบิ้นที่ได้จากเทคนิคนี้มีลักษณะ 'นุ่มนวลกว่ามาก’ ขอบมากกว่าที่ทําด้วยวิธีการพิมพ์หินทั่วไป (Jiao et al. 2009)