Graphene đơn lớp quy mô công nghiệp sử dụng phương pháp tách lớp bằng siêu âm

Graphene đã trở thành một trong những vật liệu hấp dẫn nhất của khoa học hiện đại. – Và điều đó hoàn toàn có lý do. Không chỉ là... “một loại vật liệu carbon khác.” Graphene là một lớp nguyên tử carbon duy nhất được sắp xếp theo cấu trúc lưới tổ ong hoàn hảo, và cấu trúc đơn giản này tạo ra một sự kết hợp đáng kinh ngạc của các tính chất mà ít vật liệu nào có thể sánh kịp.
Thách thức luôn là: Làm thế nào để sản xuất graphene đơn lớp chất lượng cao một cách hiệu quả, ổn định và với số lượng công nghiệp?
Đây là nơi áp dụng công nghệ tẩy da chết bằng sóng siêu âm hiệu suất cao. – đặc biệt là với các máy siêu âm dạng đầu dò của Hielscher – Cung cấp một giải pháp thực tiễn và có khả năng mở rộng.

Vấn đề: Sản xuất graphene một lớp quy mô lớn

Graphene tồn tại tự nhiên bên trong graphite, nơi hàng triệu lớp graphene được xếp chồng lên nhau một cách chặt chẽ. Các lớp này được giữ chặt bởi các lực liên lớp mạnh (tương tác van der Waals), khiến việc tách chúng ra một cách sạch sẽ trở nên khó khăn.

Mục tiêu rất rõ ràng:

• Năng suất cao của graphene lớp đơn
• Thiệt hại tối thiểu đối với mạng graphene
• Kích thước và hình thái đồng nhất của tấm
• Có thể mở rộng quy mô lên mức sản xuất công nghiệp.
• Hiệu quả về chi phí và bền vững về môi trường

Các phương pháp truyền thống gặp khó khăn trong việc đáp ứng tất cả các yêu cầu này cùng một lúc.

Tại sao các phương pháp tẩy da chết truyền thống không hiệu quả?

Các phương pháp tẩy tế bào chết truyền thống bao gồm tẩy tế bào chết cơ học, hóa học và tẩy tế bào chết dạng lỏng. Tất cả các phương pháp này đều có những hạn chế khiến quá trình sản xuất graphene trở nên kém hiệu quả và/hoặc nguy hiểm.

Tẩy da chết cơ học

Kỹ thuật cơ khí nổi bật nhất là kỹ thuật nổi tiếng “Băng dính Scotch” Phương pháp này có thể sản xuất graphene tinh khiết, nhưng:

• Năng suất cực kỳ thấp
• Các tờ giấy không đều.
• Hoàn toàn không thực tế cho sản xuất.

Tẩy da chết hóa học

Phương pháp này sử dụng axit mạnh và chất oxy hóa để phá vỡ các liên kết lớp, nhưng:

• gây ra tạp chất và khuyết tật
• sản sinh chất thải hóa học
• Tăng chi phí do dung môi, hóa chất và việc xử lý chất thải.
• thay đổi hóa học của graphene (thường là vĩnh viễn)

Tẩy da chết bằng phương pháp pha lỏng truyền thống

Cách tiếp cận này có tính mở rộng cao hơn, nhưng thường yêu cầu:

• các dung môi đặc biệt như N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) hoặc Dimethylformamide (DMF)
• Thời gian xử lý kéo dài
• Năng suất và hiệu suất quá trình hạn chế mà không cần đầu vào năng lượng cao.

Sản xuất graphene bằng siêu âm: Hướng đi công nghiệp trong tương lai

Phương pháp tổng hợp graphene bằng siêu âm trở nên cực kỳ hiệu quả khi sử dụng siêu âm đầu dò công suất cao, giúp truyền năng lượng trực tiếp vào dung dịch. – hiệu quả hơn nhiều so với siêu âm trong bồn tắm.

Trong thực tế, siêu âm hỗ trợ sản xuất graphene thông qua hai phương pháp chính:

Phương pháp 1: Máy khoan hỗ trợ bằng siêu âm’ Phương pháp (Oxit grafen)

Những chiếc Hummers’ Phương pháp này là một quy trình hóa học trong đó graphite được oxy hóa bằng hỗn hợp các axit mạnh và chất oxy hóa – thường là axit sunfuric, axit nitric và kali permanganat. Trong phản ứng này, các nhóm chức chứa oxy như hydroxyl, epoxide và carboxyl được đưa vào mạng carbon. Kết quả là graphene oxide (GO), một dẫn xuất được biến đổi hóa học của graphene.

Khi siêu âm được áp dụng trong quá trình này, nó làm tăng đáng kể hiệu suất phản ứng. Sự khuấy trộn bằng siêu âm cải thiện quá trình truyền khối giữa các chất phản ứng và các hạt graphite, đảm bảo quá trình oxy hóa diễn ra đồng đều hơn. Đồng thời, lực cắt do hiện tượng cavitation gây ra thúc đẩy quá trình tách các lớp graphite đã oxy hóa thành các tấm riêng lẻ, đẩy nhanh quá trình tách lớp và cải thiện chất lượng phân tán.

Siêu âm làm gì ở đây:

• Cải thiện quá trình truyền khối
• Tăng tốc quá trình phân tán
• giúp tách các lớp oxy hóa thành các tấm riêng lẻ

Sản phẩm của phương pháp này là oxit grafen ở dạng các tấm đơn lớp hoặc ít lớp, có khả năng phân tán dễ dàng trong nước nhờ vào tính chất bề mặt ưa nước. Do sự hiện diện của các nhóm chức năng được giới thiệu, oxit grafen có tính phản ứng cao và rất phù hợp cho các quá trình chức năng hóa hóa học tiếp theo, tích hợp vào composite hoặc giảm xuống các cấu trúc grafen đã được sửa đổi.

Phương pháp Hummer được hỗ trợ bằng siêu âm tạo ra:

• Tấm graphene oxit
• Dung dịch phân tán ưa nước trong nước
• Một dạng graphene đã được biến đổi hóa học phù hợp cho quá trình chức năng hóa.

Phương pháp này đặc biệt phù hợp khi mục tiêu không phải là graphene nguyên chất, mà là một vật liệu có tính hoạt động bề mặt, có thể điều chỉnh hóa học, được thiết kế để tiếp tục sửa đổi hoặc ứng dụng tại giao diện cụ thể.

Biểu diễn đồ họa quá trình tổng hợp graphene được chuẩn bị bằng phương pháp Hummer và kỹ thuật phân tán sử dụng natri dodecylbenzenesulfonat (SDS): (A) cấu trúc graphite; (B) các tấm nano graphene phân tán. sử dụng sonicator UP100H; (C) oxit grafen giảm; và (D) oxit grafen.
(Nghiên cứu và đồ họa: Ghanem và Rehim, 2018)

Phương pháp 2: Tách lớp bằng sóng siêu âm trong pha lỏng (Graphene nguyên chất)

Trong quá trình tách lớp bằng sóng siêu âm trong pha lỏng, graphite dạng khối được phân tán trong một dung môi phù hợp – thường là N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) hoặc dimethylformamide (DMF) – và được xử lý bằng sóng siêu âm công suất cao. Khác với các phương pháp oxy hóa, quá trình này mang tính chất vật lý cơ bản chứ không phải hóa học.

Năng lượng siêu âm được áp dụng tạo ra các lực cavitation mạnh mẽ bên trong chất lỏng. Các lực này vượt qua các tương tác van der Waals giữ các lớp graphene lại với nhau, làm tách rời vật lý graphite thành các tấm graphene riêng lẻ. Khi quá trình tách lớp diễn ra, các hỗn hợp ổn định của các tấm graphene nano được hình thành trong môi trường dung môi.
Siêu âm làm gì ở đây:

• Lớp graphite bị bong tróc vật lý.
• Tách các lớp graphene riêng lẻ
• tạo ra các dung dịch graphene ổn định

Phương pháp này được ưa chuộng khi mục tiêu chính là bảo toàn tính toàn vẹn của mạng tinh thể carbon sp² ban đầu. Do không sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh, cấu trúc tinh thể và các tính chất điện và cơ học nội tại của graphene có thể được duy trì ở mức độ cao hơn nhiều. Ngoài ra, quá trình tách lớp graphene bằng siêu âm trong pha lỏng rất phù hợp cho sản xuất quy mô lớn, cho phép chuyển đổi đáng tin cậy từ nghiên cứu phòng thí nghiệm sang sản xuất công nghiệp đồng thời duy trì tính nhất quán của sản phẩm.
Phương pháp này là lựa chọn ưu tiên khi mục tiêu của bạn là:

• Bảo tồn cấu trúc mạng sp² ban đầu
• Sản xuất các tấm graphene nano chất lượng cao
• Mở rộng sản xuất một cách đáng tin cậy

Tóm lại, trong khi các mẫu xe Hummers’ Phương pháp này ưu tiên quá trình biến đổi hóa học, trong khi quá trình tách lớp bằng sóng siêu âm trong pha lỏng tập trung vào việc bảo tồn cấu trúc và sản xuất các tấm graphene nano chất lượng cao.

Một chuỗi tốc độ cao (từ a đến f) của các khung minh họa quá trình tẩy tế bào chết cơ học sono của mảnh than chì trong nước bằng cách sử dụng UP200S, một máy siêu âm 200W với sonotrode 3 mm. Mũi tên hiển thị vị trí tách (tẩy tế bào chết) với bong bóng xâm thực xuyên qua vết tách.
(nghiên cứu và hình ảnh: © Tyurnina et al. 2020

Lựa chọn lộ trình phù hợp: Giữ nguyên hay điều chỉnh?

Một câu hỏi đơn giản sẽ xác định phương pháp tốt nhất:
Bạn có muốn graphene nguyên chất không? – hoặc graphene oxit đã được chức năng hóa?

Quá trình tách lớp pha lỏng tập trung vào việc bảo tồn cấu trúc tinh thể và nhẹ nhàng vượt qua lực giữa các lớp.
Hummer’ Phương pháp này cố ý thay đổi thành phần hóa học, đưa vào các nhóm oxy và khuyết tật, trong khi siêu âm chủ yếu cải thiện sự phân tán thay vì bảo vệ cấu trúc.

Sự khác biệt này có ảnh hưởng mạnh mẽ đến hiệu suất và tiềm năng ứng dụng của graphene cuối cùng.

Tại sao tẩy da chết bằng sóng siêu âm vượt trội cho graphene công nghiệp

So với các phương pháp tẩy tế bào chết truyền thống, phương pháp tẩy tế bào chết bằng sóng siêu âm trong pha lỏng mang lại sự kết hợp hiếm có giữa hiệu quả, chất lượng sản phẩm và khả năng mở rộng quy mô công nghiệp.
Một trong những ưu điểm nổi bật nhất của phương pháp này là hiệu suất tách lớp cao. Trong điều kiện xử lý tối ưu, hiện tượng cavitation siêu âm có thể tách các lớp graphene khỏi graphite với hiệu suất đáng kể, thường đạt được chủ yếu là vật liệu đơn lớp. Điều này đại diện cho một cải tiến đáng kể so với phương pháp tách lớp cơ học, vốn chỉ sản xuất được lượng graphene sử dụng được rất ít.
Độ đồng nhất là một yếu tố quyết định khác. Vì quá trình cavitation có thể được kiểm soát một cách cẩn thận, các tấm graphene thu được thường có độ dày và hình thái đồng nhất. Độ tái hiện này là yếu tố quan trọng đối với các ứng dụng công nghiệp, nơi tính đồng nhất của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất sản phẩm.
Khả năng mở rộng quy mô là yếu tố nổi bật của công nghệ xử lý siêu âm. Những gì có thể thực hiện trong một cốc thí nghiệm có thể được áp dụng cho quy mô thử nghiệm và cuối cùng là sản xuất công nghiệp liên tục. Các phản ứng viên siêu âm liên tục cho phép xử lý lượng lớn dung dịch graphite trong điều kiện kiểm soát và lặp lại, giúp công nghệ này trở nên khả thi về mặt thương mại.
Kiểm soát quá trình mang lại một lớp linh hoạt bổ sung. Các thông số như biên độ, công suất siêu âm đầu vào, áp suất, nhiệt độ và thời gian lưu có thể được điều chỉnh chính xác. Điều này cho phép các nhà sản xuất tùy chỉnh đặc tính của graphene theo yêu cầu cụ thể của ứng dụng đồng thời duy trì tính tái hiện.
Cuối cùng, quá trình tách lớp bằng sóng siêu âm trong pha lỏng có thể được thực hiện bằng cách sử dụng các hệ dung môi bền vững hơn. Tùy thuộc vào công thức và ứng dụng mục tiêu, các hệ dung môi dựa trên ethanol, dung dịch ion hoặc thậm chí môi trường nước có thể được sử dụng, mang lại lợi ích về môi trường và tuân thủ quy định so với các phương pháp hóa học có tính oxy hóa mạnh.

Tại sao máy siêu âm Hielscher Probe là lựa chọn lý tưởng cho quá trình tách lớp graphene?

Hielscher Ultrasonics cung cấp một nền tảng công nghệ hoàn chỉnh, được thiết kế đặc biệt cho quá trình xử lý graphene.
Các ưu điểm chính bao gồm:

• Siêu âm dạng đầu dò (hiệu quả cao hơn nhiều so với siêu âm trong bồn)
• Có thể mở rộng từ các hệ thống cầm tay và bàn làm việc đến các phản ứng công nghiệp hoạt động 24/7.
• Kiểm soát chính xác về biên độ, công suất và áp suất
• Cấu trúc chắc chắn, đạt tiêu chuẩn công nghiệp, phù hợp cho hoạt động liên tục.

Xử lý theo lô so với xử lý liên tục: Từ phòng thí nghiệm đến nhà máy

Hệ thống Hielscher hỗ trợ cả quy trình xử lý theo lô và quy trình xử lý liên tục, cho phép chuyển đổi mượt mà từ giai đoạn nghiên cứu sang sản xuất.
Sonication theo lô là phương pháp dễ thực hiện và đặc biệt phù hợp cho nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, phát triển công thức và sản xuất graphene quy mô nhỏ. Phương pháp này mang lại tính linh hoạt và tối ưu hóa thông số nhanh chóng, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong giai đoạn phát triển quy trình ban đầu.
Tuy nhiên, trong sản xuất quy mô công nghiệp, quy trình xử lý liên tục thường được ưa chuộng. Trong cấu hình này, hỗn hợp graphite được bơm liên tục qua một phản ứng viên dòng siêu âm. Điều này đảm bảo sự tiếp xúc đồng đều với lực cavitation, dẫn đến chất lượng tách lớp nhất quán và năng suất cao. Khi kết hợp với các phản ứng viên có thể tạo áp suất, cường độ cavitation có thể được tăng cường thêm, từ đó nâng cao hiệu quả tách lớp và năng suất.
Thiết kế mô-đun của hệ thống Hielscher cho phép các công ty bắt đầu với các thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm và mở rộng lên sản xuất công nghiệp liên tục 24/7 mà không cần thay đổi nền tảng công nghệ cơ bản.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:

Vượt qua Graphene: Siêu âm cho vật liệu 2D (“Xenes”)

Tẩy da chết bằng sóng siêu âm không chỉ giới hạn ở graphene.
Nó cũng được sử dụng rộng rãi để sản xuất xenes, các tương đương 2D một lớp của graphene, bao gồm:

• Borophene (và dải nano borophene / oxit borophene)
• MXenes (các hợp chất cacbua, nitrua và cacbonitrua của kim loại chuyển tiếp hai chiều)
• Bismuthene (được biết đến với tính chất xúc tác điện và tính tương thích sinh học)
• Silicene (silicon hai chiều tương tự graphene)

Cơ chế tạo bọt khí tương tự khiến siêu âm trở thành một trong những phương pháp có khả năng mở rộng quy mô cao nhất cho nhiều vật liệu 2D nhiều lớp.