Πώς να διασπείρετε το γραφένιο με μηχάνημα υπερηχητικού ομογενοποιητή;

Πώς να διασπείρετε το γραφένιο με μηχάνημα υπερηχητικού ομογενοποιητή;

Δεδομένων των ειδικών ιδιοτήτων του γραφίτη, έχουν αναπτυχθεί αρκετές μέθοδοι για την παρασκευή του. Εκτός από τη χημική παραγωγή γραφενίου από οξείδιο του γραφενίου σε μια πολυβάθμια διαδικασία, απαιτούνται πολύ ισχυρά οξειδωτικά και αναγωγικά μέσα. Επιπλέον, το γραφένιο που παρασκευάζεται υπό αυτές τις σκληρές χημικές συνθήκες συχνά περιέχει μεγάλο αριθμό ελαττωμάτων ακόμη και μετά την αναγωγή σε σύγκριση με το γραφένιο που λαμβάνεται από άλλες μεθόδους. Ωστόσο, ο υπέρηχος είναι μια αποδεδειγμένη εναλλακτική μέθοδος που μπορεί να παράγει μεγάλες ποσότητες γραφενίου υψηλής ποιότητας. Οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν από ερευνητές χρησιμοποιώντας υπερήχους ποικίλλουν ελαφρώς, αλλά γενικά, η παραγωγή γραφενίου μπορεί να ολοκληρωθεί σε ένα μόνο βήμα.

01 Άμεση απολέπιση γραφενίου
Ο υπέρηχος μπορεί να παρασκευάσει γραφένιο σε οργανικούς διαλύτες, διαλύματα επιφανειοδραστικών/υδατικών διαλυμάτων ή ιοντικά υγρά. Αυτό σημαίνει ότι μπορεί να αποφευχθεί η χρήση ισχυρών οξειδωτικών ή αναγωγικών μέσων. Οι Stankovich et al. (2007) παρήγαγαν γραφένιο με απολέπιση υπό υπερήχους. Η υπερηχητική επεξεργασία ενός διαλύματος οξειδίου του γραφενίου με συγκέντρωση 1mg/ml, οι εικόνες AFM δείχνουν ότι υπάρχουν πάντα νιφάδες με ομοιόμορφο πάχος (1nm) και δεν υπάρχουν νιφάδες γραφενίου με πάχος μεγαλύτερο από 1nm ή μικρότερο από 1nm σε αυτά τα καλά δείγματα απολέπισης οξειδίου του γραφενίου. Συμπεραίνεται ότι υπό αυτές τις συνθήκες, επιτυγχάνεται πλήρης απολέπιση του οξειδίου του γραφενίου για την απόκτηση μεμονωμένων νιφάδων οξειδίου του γραφενίου.

02 Υπερηχητική επεξεργασία γραφενίου...

Για να δώσουμε ένα παράδειγμα μιας συγκεκριμένης διαδικασίας παραγωγής γραφενίου: Ο γραφίτης προστίθεται σε ένα μείγμα αραιού οργανικού οξέος, αλκοόλης και νερού και στη συνέχεια το μείγμα εκτίθεται σε υπερηχητική ακτινοβολία. Το οξύ δρα ως «μοριακή σφήνα» για να διαχωρίσει τα φύλλα γραφενίου από τον μητρικό γραφίτη. Μέσω αυτής της απλής διαδικασίας, παράγεται μια μεγάλη ποσότητα μη διασπαρμένου, υψηλής ποιότητας γραφενίου διασκορπισμένου στο νερό.

03 Παρασκευή φύλλων γραφενίου
Ένα μεγάλο ποσό καθαρών φύλλων γραφενίου παρασκευάστηκε με επιτυχία στη διαδικασία παραγωγής μη στοιχειομετρικών νανοσύνθετων TiO2 γραφενίου με θερμική υδρόλυση μιας εναιωρήματος νανοφύλλων γραφενίου και συμπλόκων υπεροξειδίου διοξειδίου του τιτανίου. Τα καθαρά νανοφύλλα γραφενίου κατασκευάστηκαν από φυσικό γραφίτη χρησιμοποιώντας ένα πεδίο σπηλαίωσης υψηλής έντασης που δημιουργήθηκε από έναν υπερηχητικό επεξεργαστή σε έναν υπερηχητικό αντιδραστήρα υψηλής πίεσης στα 5 bar. Τα προκύπτοντα φύλλα γραφενίου έχουν μεγάλη ειδική επιφάνεια και μοναδικές ηλεκτρονικές ιδιότητες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως καλός φορέας για το TiO2 για τη βελτίωση της φωτοκαταλυτικής δραστηριότητας. Η ποιότητα του υπερηχητικά παρασκευασμένου γραφενίου είναι πολύ υψηλότερη από αυτή που λαμβάνεται με τη μέθοδο Hummer, στην οποία ο γραφίτης απολεπίζεται και οξειδώνεται. Δεδομένου ότι οι φυσικές συνθήκες μέσα στον υπερηχητικό αντιδραστήρα μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια και υποθέτοντας ότι η συγκέντρωση του γραφενίου ως πρόσμιξη θα κυμαίνεται στην περιοχή του 1-0,001%, είναι δυνατό να παραχθεί γραφένιο σε ένα συνεχές σύστημα σε εμπορική κλίμακα.

04 Υπερηχητική επεξεργασία οξειδίου του γραφενίου
Διαδικασία παρασκευής στρωμάτων οξειδίου του γραφενίου (GO) με χρήση υπερηχητικής ακτινοβολίας. Είκοσι πέντε χιλιοστόγραμμα σκόνης οξειδίου του γραφενίου αιωρήθηκαν σε 200 χιλιοστόλιτρα απιονισμένου νερού. Ένα ετερογενές καφέ εναιώρημα ελήφθη με ανάδευση. Το προκύπτον εναιώρημα υποβλήθηκε σε υπερηχητική επεξεργασία (30 λεπτά, 1,3×105J) και μετά την ξήρανση (373K), παρασκευάστηκε υπερηχητικά επεξεργασμένο οξείδιο του γραφενίου. Η φασματοσκοπία FTIR έδειξε ότι η υπερηχητική επεξεργασία δεν άλλαξε τις λειτουργικές ομάδες του οξειδίου του γραφενίου.

05 Λειτουργικοποίηση φύλλων γραφενίου
Οι Xu και Suslick (2011) περιέγραψαν μια μονοφασική μέθοδο για την παρασκευή πολυστιρενίου λειτουργικοποιημένου γραφίτη. Στη μελέτη τους, χρησιμοποίησαν νιφάδες γραφίτη και στυρένιο ως βασικές πρώτες ύλες. Με υπερήχηση νιφάδων γραφίτη σε στυρένιο (αντιδραστικό μονομερές), η υπερηχητική ακτινοβολία οδήγησε σε μηχανοχημική απολέπιση νιφάδων γραφίτη σε μονοστρωματικές και ολιγοστρωματικές νιφάδες γραφενίου. Ταυτόχρονα, επιτεύχθηκε η λειτουργικοποίηση των φύλλων γραφενίου με αλυσίδες πολυστιρενίου. Η ίδια διαδικασία λειτουργικοποίησης μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί με άλλα σύνθετα υλικά με βάση το γραφένιο, βινυλικά μονομερή.

06 Παρασκευή νανορολών άνθρακα
Οι νανορολοί άνθρακα είναι παρόμοιοι με τους σωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων. Η διαφορά με τους σωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων είναι οι ανοιχτές άκρες και η πλήρης προσβασιμότητα της εσωτερικής επιφάνειας σε άλλα μόρια. Συντίθενται υγροχημικά με παρεμβολή γραφίτη με κάλιο, απολέπιση σε νερό και υπερηχητική επεξεργασία του κολλοειδούς εναιωρήματος. Η υποβοηθούμενη με υπερήχους κύλιση μονοστρωμάτων γραφενίου σε νανοσωλήνες άνθρακα με απόδοση μετατροπής έως και 80% καθιστά την παραγωγή νανοσωλήνων ένα καυτό θέμα για εμπορικές εφαρμογές.

07 Διασπορές γραφενίου
Ο βαθμός διασποράς του γραφενίου και του οξειδίου του γραφενίου είναι εξαιρετικά σημαντικός για την εκμετάλλευση του πλήρους δυναμικού του γραφενίου και των ειδικών του ιδιοτήτων. Εάν το γραφένιο δεν διασπαρθεί υπό ελεγχόμενες συνθήκες, η πολυδιασπορά της διασποράς γραφενίου μπορεί να οδηγήσει σε απρόβλεπτα ή μη ιδανικά αποτελέσματα μόλις ενσωματωθεί σε μια συσκευή, καθώς οι ιδιότητες του γραφενίου ποικίλλουν ανάλογα με τις δομικές του παραμέτρους. Η ηχοποίηση είναι μια αποδεδειγμένη μέθοδος επεξεργασίας που μπορεί να αποδυναμώσει τις δυνάμεις μεταξύ των στρώσεων και επιτρέπει τον ακριβή έλεγχο σημαντικών παραμέτρων επεξεργασίας. «Για το οξείδιο του γραφενίου (GO), το οποίο συνήθως απολεπίζεται ως μονοστρωματικά φύλλα, μια από τις κύριες προκλήσεις πολυδιασποράς οφείλεται στη διακύμανση στην πλευρική περιοχή των νιφάδων. Με την αλλαγή της πρώτης ύλης γραφενίου και των συνθηκών ηχοποίησης, το μέσο πλευρικό μέγεθος του GO μπορεί να μετατοπιστεί από 400nm σε 20μm. Η υπερηχητική διασπορά του γραφενίου έχει αποδειχθεί σε πολλές άλλες μελέτες ότι παράγει λεπτούς και ομοιόμορφους κολλοειδείς πολτούς.»