كيفية تشتيت الجرافين بواسطة جهاز التجانس بالموجات فوق الصوتية؟

كيفية تشتيت الجرافين بواسطة آلة التجانس بالموجات فوق الصوتية؟

نظرًا للخصائص الخاصة للجرافيت، تم تطوير عدة طرق لتحضيره. بالإضافة إلى الإنتاج الكيميائي للجرافين من أكسيد الجرافين في عملية متعددة الخطوات، هناك حاجة إلى عوامل مؤكسدة ومختزلة قوية جدًا. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما يحتوي الجرافين المحضر في ظل هذه الظروف الكيميائية القاسية على عدد كبير من العيوب حتى بعد الاختزال مقارنة بالجرافين الذي يتم الحصول عليه من طرق أخرى. ومع ذلك، فإن الموجات فوق الصوتية هي طريقة بديلة مثبتة يمكنها إنتاج كميات كبيرة من الجرافين عالي الجودة. تختلف الطرق التي طورها الباحثون باستخدام الموجات فوق الصوتية قليلاً، ولكن بشكل عام، يمكن إكمال إنتاج الجرافين في خطوة واحدة فقط.

01 التقشير المباشر للجرافين
يمكن للموجات فوق الصوتية تحضير الجرافين في المذيبات العضوية أو المحاليل السطحية/المائية أو السوائل الأيونية. هذا يعني أنه يمكن تجنب استخدام عوامل مؤكسدة أو مختزلة قوية. أنتج Stankovich وآخرون (2007) الجرافين عن طريق التقشير بالموجات فوق الصوتية. يوضح العلاج بالموجات فوق الصوتية لمحلول من أكسيد الجرافين بتركيز 1 مجم/مل، صور AFM أنه توجد دائمًا رقائق ذات سمك موحد (1 نانومتر)، ولا توجد رقائق جرافين بسمك أكبر من 1 نانومتر أو أقل من 1 نانومتر في عينات التقشير الجيدة هذه من أكسيد الجرافين. تم التوصل إلى أنه في ظل هذه الظروف، يتم تحقيق التقشير الكامل لأكسيد الجرافين للحصول على رقائق أكسيد الجرافين المفردة.

02 معالجة الجرافين بالموجات فوق الصوتية ...

لإعطاء مثال على عملية إنتاج جرافين محددة: تتم إضافة الجرافيت إلى خليط من حمض عضوي مخفف وكحول وماء، ثم يتعرض الخليط للإشعاع بالموجات فوق الصوتية. يعمل الحمض كـ "إسفين جزيئي" لفصل صفائح الجرافين عن الجرافيت الأم. من خلال هذه العملية البسيطة، يتم إنتاج كمية كبيرة من الجرافين غير المشتت وعالي الجودة والمشتت في الماء.

03 تحضير صفائح الجرافين
تم تحضير كمية كبيرة من صفائح الجرافين النقية بنجاح في عملية إنتاج مركبات TiO2-الجرافين النانوية غير المتكافئة عن طريق التحلل الحراري المعلق لصفائح الجرافين النانوية ومعقدات بيروكسيد ثاني أكسيد التيتانيوم. صُنعت صفائح الجرافين النانوية النقية من الجرافيت الطبيعي باستخدام مجال تجويف عالي الكثافة تم إنشاؤه بواسطة معالج بالموجات فوق الصوتية في مفاعل بالموجات فوق الصوتية عالي الضغط عند 5 بار. تتمتع صفائح الجرافين الناتجة بمساحة سطح نوعية عالية وخصائص إلكترونية فريدة ويمكن استخدامها كحامل جيد لـ TiO2 لتحسين النشاط التحفيزي الضوئي. جودة الجرافين المحضر بالموجات فوق الصوتية أعلى بكثير من تلك التي تم الحصول عليها بطريقة Hummer، والتي يتم فيها تقشير الجرافيت وأكسدته. نظرًا لأنه يمكن التحكم بدقة في الظروف الفيزيائية داخل مفاعل الموجات فوق الصوتية وبافتراض أن تركيز الجرافين كمنشط سيختلف في نطاق 1-0.001٪، فمن الممكن إنتاج الجرافين في نظام مستمر على نطاق تجاري.

04 معالجة أكسيد الجرافين بالموجات فوق الصوتية
عملية تحضير طبقات أكسيد الجرافين (GO) باستخدام الإشعاع بالموجات فوق الصوتية. تم تعليق خمسة وعشرون ملليغرامًا من مسحوق أكسيد الجرافين في 200 ملليلتر من الماء منزوع الأيونات. تم الحصول على معلق بني غير متجانس عن طريق التحريك. تمت معالجة المعلق الناتج بالموجات فوق الصوتية (30 دقيقة، 1.3×105J) وبعد التجفيف (373 كلفن)، تم تحضير أكسيد الجرافين المعالج بالموجات فوق الصوتية. أظهرت مطيافية FTIR أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية لم تغير المجموعات الوظيفية لأكسيد الجرافين.

05 تشغيل صفائح الجرافين
وصف Xu و Suslick (2011) طريقة من خطوة واحدة لتحضير الجرافيت المضاف إليه البوليسترين. في دراستهم، استخدموا رقائق الجرافيت والستايرين كمواد خام أساسية. عن طريق الموجات فوق الصوتية لرقائق الجرافيت في الستايرين (مونومر تفاعلي)، أدى الإشعاع بالموجات فوق الصوتية إلى التقشير الميكانيكي لرقائق الجرافيت إلى رقائق جرافين أحادية الطبقة وقليلة الطبقات. في الوقت نفسه، تم تحقيق تشغيل صفائح الجرافين بسلاسل البوليسترين. يمكن أيضًا إجراء نفس عملية التشغيل باستخدام مونومرات الفينيل الأخرى القائمة على الجرافين.

06 تحضير النانو لفائف الكربون
تشبه النانو لفائف الكربون الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران. الفرق مع الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران هو الأطراف المفتوحة وإمكانية الوصول الكامل للسطح الداخلي إلى الجزيئات الأخرى. يتم تصنيعها كيميائيًا رطبًا عن طريق إدخال الجرافيت بالبوتاسيوم، والتقشير في الماء والمعالجة بالموجات فوق الصوتية للمادة الغروانية المعلقة. إن لف صفائح الجرافين الأحادية بمساعدة الموجات فوق الصوتية في أنابيب نانوية كربونية بكفاءة تحويل تصل إلى 80٪ يجعل إنتاج الأنابيب النانوية موضوعًا ساخنًا للتطبيقات التجارية.

07 تشتت الجرافين
تعتبر درجة تشتت الجرافين وأكسيد الجرافين مهمة للغاية لاستغلال الإمكانات الكاملة للجرافين وخصائصه المحددة. إذا لم يتم تشتيت الجرافين في ظل ظروف خاضعة للرقابة، فإن تعدد تشتت تشتت الجرافين يمكن أن يؤدي إلى تأثيرات غير متوقعة أو غير مثالية بمجرد دمجها في جهاز، حيث تختلف خصائص الجرافين باختلاف معاييره الهيكلية. يعد التموج الصوتي طريقة معالجة مثبتة يمكنها إضعاف القوى بين الطبقات وتسمح بالتحكم الدقيق في معلمات المعالجة المهمة. "بالنسبة لأكسيد الجرافين (GO)، والذي يتم تقشيره عادةً كصفائح أحادية الطبقة، فإن أحد التحديات الرئيسية لتعدد التشتت يرجع إلى الاختلاف في المساحة الجانبية للرقائق. عن طريق تغيير مادة الجرافين الخام وظروف التموج الصوتي، يمكن تحويل الحجم الجانبي المتوسط ​​لـ GO من 400 نانومتر إلى 20 ميكرومتر. لقد ثبت أن تشتت الجرافين بالموجات فوق الصوتية في العديد من الدراسات الأخرى ينتج عنه مواد معلقة غروانية دقيقة وحتى."