การผลิตกราฟีนด้วยอัลตราโซนิก

การสังเคราะห์กราฟีนด้วยอัลตราโซนิกโดยการลอกชั้นกราไฟต์เป็นวิธีที่เชื่อถือได้มากที่สุดและมีข้อได้เปรียบมากที่สุดในการผลิตแผ่นกราฟีนคุณภาพสูงในระดับอุตสาหกรรม เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงของ Hielscher สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำและสร้างแอมพลิจูดที่สูงมากได้ในการทำงานตลอด 24/7 จึงช่วยให้เตรียมกราฟีนบริสุทธิ์ดั้งเดิมในปริมาณมากได้อย่างง่ายดายและควบคุมขนาดได้

การเตรียมกราฟีนด้วยอัลตราโซนิก

นับตั้งแต่เป็นที่ทราบถึงคุณลักษณะอันโดดเด่นของกราไฟต์ ก็ได้มีการพัฒนาวิธีการเตรียมกราไฟต์ขึ้นหลายวิธี. นอกเหนือจากการผลิตกราฟีนทางเคมีจากกราฟีนออกไซด์ด้วยกระบวนการหลายขั้นตอน ซึ่งต้องใช้สารออกซิไดซ์และสารรีดิวซ์ที่มีฤทธิ์แรงมาก. นอกจากนี้ กราฟีนที่เตรียมภายใต้สภาวะทางเคมีที่รุนแรงเหล่านี้มักมีตำหนิจำนวนมากแม้ผ่านการรีดักชันแล้ว เมื่อเทียบกับกราฟีนที่ได้จากวิธีอื่น อย่างไรก็ตาม อัลตราซาวนด์เป็นทางเลือกที่พิสูจน์แล้วว่าสามารถผลิตกราฟีนคุณภาพสูงได้ รวมถึงในปริมาณมาก นักวิจัยได้พัฒนาวิธีการใช้อัลตราซาวนด์ที่แตกต่างกันเล็กน้อย แต่โดยทั่วไป การผลิตกราฟีนเป็นกระบวนการขั้นตอนเดียวที่เรียบง่าย

ลำดับภาพที่บันทึกด้วยความเร็วสูง (จาก a ถึง f) แสดงการลอกชั้นเกล็ดกราไฟต์ในน้ำด้วยแรงเชิงกลจากคลื่นเสียง โดยใช้ UP200S ซึ่งเป็นเครื่องอัลตราโซนิกกำลัง 200W พร้อมโซโนโทรดขนาด 3-mm ลูกศรแสดงตำแหน่งที่เกิดการแยกชั้น (การลอกชั้น) โดยมีฟองคาวิเทชันแทรกเข้าไปในรอยแยก
(การศึกษาและภาพ: © Tyurnina et al. 2020

ข้อดีของการลอกชั้นกราฟีนด้วยอัลตราโซนิก

เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบและเครื่องปฏิกรณ์ของ Hielscher ทำให้การลอกชั้นกราฟีนเป็นกระบวนการที่มีประสิทธิภาพสูงในการผลิตกราฟีนจากกราไฟต์โดยใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูง เทคนิคนี้มีข้อดีหลายประการเหนือวิธีผลิตกราฟีนแบบอื่น ประโยชน์หลักของการลอกชั้นกราฟีนด้วยอัลตราโซนิกมีดังต่อไปนี้:

• ประสิทธิภาพสูง: การลอกชั้นกราฟีนด้วยอัลตราโซนิกชนิดโพรบเป็นวิธีผลิตกราฟีนที่มีประสิทธิภาพสูงมาก สามารถผลิตกราฟีนคุณภาพสูงในปริมาณมากได้ภายในระยะเวลาสั้น
• ต้นทุนต่ำ: อุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับการลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิกในการผลิตกราฟีนระดับอุตสาหกรรมมีราคาค่อนข้างต่ำเมื่อเทียบกับวิธีผลิตกราฟีนแบบอื่น เช่น การสะสมไอเคมี (CVD) และการลอกชั้นด้วยวิธีเชิงกล
• การขยายขนาดการผลิต: การลอกชั้นกราฟีนด้วยเครื่องอัลตราโซนิกสามารถขยายขนาดเพื่อผลิตกราฟีนในปริมาณมากได้อย่างง่ายดาย การลอกชั้นและการกระจายตัวของกราฟีนด้วยอัลตราโซนิกสามารถดำเนินการได้ทั้งแบบแบตช์และแบบต่อเนื่องในสายการผลิต จึงเป็นทางเลือกที่ใช้ได้จริงสำหรับการใช้งานระดับอุตสาหกรรม
• การควบคุมสมบัติของกราฟีน: การลอกชั้นและการแยกชั้นกราฟีนด้วยอัลตราโซนิกชนิดโพรบช่วยให้ควบคุมสมบัติของกราฟีนที่ผลิตได้อย่างแม่นยำ ซึ่งรวมถึงขนาด ความหนา และจำนวนชั้น
• ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยที่สุด: การลอกชั้นกราฟีนโดยใช้โพรบอัลตราโซนิกเป็นวิธีผลิตกราฟีนที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เนื่องจากสามารถใช้ร่วมกับตัวทำละลายที่ไม่เป็นพิษและไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม เช่น น้ำหรือเอทานอล ซึ่งหมายความว่าการแยกชั้นกราฟีนด้วยอัลตราโซนิกช่วยหลีกเลี่ยงหรือลดการใช้สารเคมีที่มีฤทธิ์รุนแรงหรืออุณหภูมิสูงได้ จึงเป็นทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเมื่อเทียบกับวิธีผลิตกราฟีนแบบอื่น

โดยรวมแล้ว การลอกชั้นกราฟีนด้วยเครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบและเครื่องปฏิกรณ์ของ Hielscher เป็นวิธีผลิตกราฟีนที่คุ้มค่า ขยายขนาดการผลิตได้ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม พร้อมทั้งควบคุมสมบัติของวัสดุที่ได้อย่างแม่นยำ

ตัวอย่างการผลิตกราฟีนอย่างง่ายด้วยการใช้คลื่นเสียง

เติมกราไฟต์ลงในส่วนผสมของกรดอินทรีย์เจือจาง แอลกอฮอล์ และน้ำ จากนั้นให้ส่วนผสมได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์ กรดทำหน้าที่เป็น “ลิ่มระดับโมเลกุล” ซึ่งแยกแผ่นกราฟีนออกจากกราไฟต์ต้นกำเนิด กระบวนการที่เรียบง่ายนี้ทำให้ได้กราฟีนคุณภาพสูงที่ไม่เสียหายและกระจายตัวในน้ำในปริมาณมาก (An et al. 2010)
 

การลอกชั้นกราฟีนโดยตรง

อัลตราซาวนด์ช่วยให้เตรียมกราฟีนในตัวทำละลายอินทรีย์ สารละลายสารลดแรงตึงผิวในน้ำ หรือของเหลวไอออนิกได้ ซึ่งหมายความว่าสามารถหลีกเลี่ยงการใช้สารออกซิไดซ์หรือสารรีดิวซ์ที่มีฤทธิ์แรงได้ Stankovich et al. (2007) ผลิตกราฟีนโดยการลอกชั้นภายใต้การใช้อัลตราโซนิก
ภาพ AFM ของกราฟีนออกไซด์ที่ลอกชั้นด้วยอัลตราโซนิกที่ความเข้มข้น 1 mg/mL ในน้ำแสดงให้เห็นแผ่นที่มีความหนาสม่ำเสมอเสมอ (~1 nm; ตัวอย่างแสดงในภาพด้านล่าง) ตัวอย่างกราฟีนออกไซด์ที่ลอกชั้นได้ดีเหล่านี้ไม่มีแผ่นที่หนาหรือบางกว่า 1nm จึงนำไปสู่ข้อสรุปว่าภายใต้สภาวะเหล่านี้สามารถลอกชั้นกราฟีนออกไซด์ได้อย่างสมบูรณ์จนเป็นแผ่นกราฟีนออกไซด์แต่ละแผ่นอย่างแท้จริง (Stankovich et al. 2007)

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

การเตรียมแผ่นกราฟีน

Stengl et al. แสดงให้เห็นถึงความสำเร็จในการเตรียมแผ่นกราฟีนบริสุทธิ์ในปริมาณมากระหว่างการผลิตนาโนคอมโพสิต TiO2–กราฟีนที่ไม่เป็นไปตามอัตราส่วนปริมาณสารสัมพันธ์ โดยใช้ไฮโดรลิซิสด้วยความร้อนกับสารแขวนลอยที่มีแผ่นกราฟีนระดับนาโนและสารเชิงซ้อนเปอร์ออกโซของไททาเนีย แผ่นกราฟีนระดับนาโนบริสุทธิ์ผลิตจากกราไฟต์ธรรมชาติโดยใช้สนามคาวิเทชันความเข้มสูงที่สร้างขึ้นด้วยเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิก UIP1000hd ของ Hielscher ในเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกที่มีความดัน 5 bar แผ่นกราฟีนที่ได้มีพื้นที่ผิวจำเพาะสูงและสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นเอกลักษณ์ จึงสามารถใช้เป็นวัสดุรองรับที่ดีสำหรับ TiO2 เพื่อเพิ่มกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาด้วยแสง กลุ่มวิจัยกล่าวอ้างว่ากราฟีนที่เตรียมด้วยอัลตราโซนิกมีคุณภาพสูงกว่ากราฟีนที่ได้จากวิธี Hummer อย่างมาก ซึ่งเป็นวิธีที่ลอกชั้นและออกซิไดซ์กราไฟต์ เนื่องจากสามารถควบคุมสภาวะทางกายภาพในเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกได้อย่างแม่นยำ และภายใต้สมมติฐานว่าความเข้มข้นของกราฟีนในฐานะสารเจือจะเปลี่ยนแปลงในช่วง 1 – 0.001% จึงสามารถติดตั้งระบบผลิตกราฟีนแบบต่อเนื่องในระดับเชิงพาณิชย์ได้อย่างง่ายดาย เครื่องอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมและเครื่องปฏิกรณ์ในสายการผลิตสำหรับการลอกชั้นกราฟีนคุณภาพสูงอย่างมีประสิทธิภาพมีพร้อมให้ใช้งาน

การเตรียมกราฟีนออกไซด์ด้วยอัลตราโซนิก

Oh et al. (2010) แสดงแนวทางการเตรียมชั้นกราฟีนออกไซด์ (GO) โดยใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ โดยแขวนลอยผงกราฟีนออกไซด์ยี่สิบห้ามิลลิกรัมในน้ำปราศจากไอออน 200 ml เมื่อกวนจะได้สารแขวนลอยสีน้ำตาลที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน สารแขวนลอยที่ได้ถูกนำไปผ่านอัลตราโซนิก (30 min, 1.3 × 105J) และหลังจากทำให้แห้ง (ที่ 373 K) ก็ได้กราฟีนออกไซด์ที่ผ่านการบำบัดด้วยอัลตราโซนิก การวิเคราะห์ด้วยสเปกโทรสโกปี FTIR แสดงว่าการบำบัดด้วยอัลตราโซนิกไม่เปลี่ยนแปลงหมู่ฟังก์ชันของกราฟีนออกไซด์

ภาพ SEM ของแผ่นกราฟีนบริสุทธิ์ดั้งเดิมระดับนาโนที่ได้จากการใช้อัลตราโซนิก (Oh et al., 2010)

การปรับหมู่ฟังก์ชันของแผ่นกราฟีน

Xu and Suslick (2011) อธิบายวิธีขั้นตอนเดียวที่สะดวกสำหรับการเตรียมกราไฟต์ที่ปรับหมู่ฟังก์ชันด้วยพอลิสไตรีน ในการศึกษานี้ใช้เกล็ดกราไฟต์และสไตรีนเป็นวัตถุดิบพื้นฐาน เมื่อให้เกล็ดกราไฟต์ในสไตรีน (มอนอเมอร์ที่ทำปฏิกิริยาได้) ได้รับคลื่นอัลตราซาวนด์ จะเกิดการลอกชั้นเชิงกลเคมีของเกล็ดกราไฟต์ให้เป็นแผ่นกราฟีนชั้นเดียวและไม่กี่ชั้น พร้อมกันนั้นก็สามารถปรับหมู่ฟังก์ชันของแผ่นกราฟีนด้วยสายโซ่พอลิสไตรีนได้
กระบวนการปรับหมู่ฟังก์ชันแบบเดียวกันนี้สามารถดำเนินการกับมอนอเมอร์ไวนิลชนิดอื่นเพื่อผลิตคอมโพสิตที่มีกราฟีนเป็นองค์ประกอบหลักได้

ระบบกระจายตัวของกราฟีน

ระดับการกระจายตัวของกราฟีนและกราฟีนออกไซด์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้ศักยภาพของกราฟีนที่มีคุณลักษณะเฉพาะได้อย่างเต็มที่ หากไม่ได้กระจายกราฟีนภายใต้สภาวะที่ควบคุม ความหลากหลายของขนาดในระบบกระจายตัวของกราฟีนอาจนำไปสู่พฤติกรรมที่คาดการณ์ไม่ได้หรือไม่เป็นไปตามอุดมคติเมื่อนำไปใช้ในอุปกรณ์ เนื่องจากสมบัติของกราฟีนเปลี่ยนแปลงตามพารามิเตอร์ทางโครงสร้าง การใช้อัลตราโซนิกเป็นวิธีที่พิสูจน์แล้วว่าสามารถลดแรงระหว่างชั้น และช่วยให้ควบคุมพารามิเตอร์สำคัญของกระบวนการได้อย่างแม่นยำ
“สำหรับกราฟีนออกไซด์ (GO) ซึ่งโดยทั่วไปลอกชั้นออกมาเป็นแผ่นชั้นเดียว หนึ่งในความท้าทายหลักเกี่ยวกับความหลากหลายของขนาดเกิดจากความแปรผันของพื้นที่ด้านข้างของเกล็ด มีการแสดงให้เห็นว่าขนาดเฉลี่ยด้านข้างของ GO สามารถเปลี่ยนจาก 400 nm เป็น 20 μm ได้โดยเปลี่ยนวัตถุดิบกราไฟต์และสภาวะการใช้อัลตราโซนิก” (Green et al. 2010)
การกระจายกราฟีนด้วยอัลตราโซนิกให้ได้สารแขวนลอยคอลลอยด์ที่ละเอียดและสม่ำเสมอได้ถูกแสดงให้เห็นในการศึกษาอื่นหลายฉบับ (Liu et al. 2011/ Baby et al. 2011/ Choi et al. 2010)
Zhang et al. (2010) แสดงให้เห็นว่าการใช้อัลตราโซนิกทำให้ได้ระบบกระจายตัวของกราฟีนที่เสถียรและมีความเข้มข้นสูงถึง 1 mg·mL−1 รวมทั้งแผ่นกราฟีนที่ค่อนข้างบริสุทธิ์ และแผ่นกราฟีนที่ได้จากการเตรียมนี้มีค่าการนำไฟฟ้าสูงถึง 712 S·m⁻¹ ผลการตรวจสอบสเปกตรัมอินฟราเรดแบบฟูเรียร์ทรานส์ฟอร์มและสเปกตรัมรามานบ่งชี้ว่าวิธีเตรียมด้วยอัลตราโซนิกก่อให้เกิดความเสียหายต่อโครงสร้างทางเคมีและโครงสร้างผลึกของกราฟีนน้อยกว่า

เครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการลอกชั้นกราฟีน

การผลิตแผ่นกราฟีนระดับนาโนคุณภาพสูงจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์อัลตราโซนิกสมรรถนะสูงที่เชื่อถือได้ แอมพลิจูด ความดัน และอุณหภูมิเป็นพารามิเตอร์สำคัญที่มีบทบาทอย่างยิ่งต่อการทำซ้ำให้ได้ผลเดิมและคุณภาพผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกของ Hielscher Ultrasonics เป็นระบบกำลังสูงที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำ ช่วยให้ตั้งค่าพารามิเตอร์ของกระบวนการได้อย่างเที่ยงตรงและให้คลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงอย่างต่อเนื่อง เครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมของ Hielscher Ultrasonics สามารถให้แอมพลิจูดที่สูงมากได้ โดยสามารถทำงานต่อเนื่องที่แอมพลิจูดสูงถึง 200µm ได้อย่างง่ายดายตลอด 24/7 สำหรับแอมพลิจูดที่สูงยิ่งกว่านี้ มีโซโนโทรดอัลตราโซนิกที่ผลิตตามความต้องการให้เลือกใช้ ความทนทานของอุปกรณ์อัลตราโซนิกของ Hielscher ช่วยให้ทำงานตลอด 24/7 ภายใต้ภาระงานหนักและในสภาพแวดล้อมการทำงานที่ท้าทายได้
ลูกค้าของเราพึงพอใจกับความทนทานและความน่าเชื่อถือที่โดดเด่นของระบบ Hielscher Ultrasonics การติดตั้งเพื่อใช้งานหนัก ในสภาพแวดล้อมการทำงานที่ท้าทาย และการทำงานตลอด 24/7 ช่วยให้มั่นใจได้ถึงกระบวนการที่มีประสิทธิภาพและประหยัด การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการด้วยอัลตราโซนิกช่วยลดเวลาในการประมวลผลและให้ผลลัพธ์ที่ดีขึ้น ได้แก่ คุณภาพที่สูงขึ้น ผลได้ที่สูงขึ้น และผลิตภัณฑ์เชิงนวัตกรรม
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

การเตรียมคาร์บอนนาโนสโครล

คาร์บอนนาโนสโครลมีลักษณะคล้ายท่อนาโนคาร์บอนหลายผนัง ความแตกต่างจาก MWCNTs คือปลายที่เปิดและการที่โมเลกุลอื่นสามารถเข้าถึงพื้นผิวภายในได้ทั้งหมด สามารถสังเคราะห์ด้วยวิธีเคมีแบบเปียกโดยแทรกโพแทสเซียมระหว่างชั้นกราไฟต์ ลอกชั้นในน้ำ และให้สารแขวนลอยคอลลอยด์ได้รับอัลตราโซนิก (เทียบกับ Viculis et al. 2003) อัลตราโซนิกช่วยให้กราฟีนชั้นเดียวม้วนตัวเป็นคาร์บอนนาโนสโครล (ดูภาพกราฟิกด้านล่าง) สามารถบรรลุประสิทธิภาพการเปลี่ยนรูปสูงถึง 80% จึงทำให้การผลิตนาโนสโครลน่าสนใจสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์

การสังเคราะห์คาร์บอนนาโนสโครลด้วยอัลตราโซนิก (Viculis et al. 2003)

การเตรียมนาโนริบบอน

กลุ่มวิจัยของ Hongjie Dai และเพื่อนร่วมงานจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดค้นพบเทคนิคในการเตรียมนาโนริบบอน ริบบอนกราฟีนเป็นแถบบางของกราฟีนที่อาจมีคุณลักษณะที่เป็นประโยชน์ยิ่งกว่าแผ่นกราฟีน ที่ความกว้างประมาณ 10 nm หรือน้อยกว่า ริบบอนกราฟีนมีพฤติกรรมคล้ายสารกึ่งตัวนำ เนื่องจากอิเล็กตรอนถูกบังคับให้เคลื่อนที่ตามแนวยาว ดังนั้น การใช้นาโนริบบอนที่ทำหน้าที่คล้ายสารกึ่งตัวนำในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จึงอาจน่าสนใจ (เช่น สำหรับชิปคอมพิวเตอร์ที่เล็กลงและเร็วขึ้น)
การเตรียมนาโนริบบอนกราฟีนของ Dai et al. ประกอบด้วยสองขั้นตอน: ขั้นแรก ทำให้ชั้นกราฟีนในกราไฟต์คลายตัวด้วยการให้ความร้อนที่ 1000ºC เป็นเวลาหนึ่งนาทีในก๊าซอาร์กอนที่มีไฮโดรเจน 3% จากนั้นทำให้กราฟีนแตกเป็นแถบด้วยอัลตราโซนิก นาโนริบบอนที่ได้จากเทคนิคนี้มีขอบที่ ‘เรียบกว่า’ อย่างมากเมื่อเทียบกับที่ผลิตด้วยวิธีลิโทกราฟีแบบดั้งเดิม (Jiao et al. 2009)