Comment disperser le graphène avec un homogénéisateur ultrasonique ?

Comment disperser le graphène avec une machine d'homogénéisation ultrasonique ?

Étant donné les propriétés particulières du graphite, plusieurs méthodes de préparation ont été développées. Outre la production chimique de graphène à partir d'oxyde de graphène dans un processus en plusieurs étapes, des agents oxydants et réducteurs très puissants sont nécessaires. De plus, le graphène préparé dans ces conditions chimiques agressives contient souvent un grand nombre de défauts, même après réduction, par rapport au graphène obtenu par d'autres méthodes. Cependant, les ultrasons sont une méthode alternative éprouvée qui peut produire de grandes quantités de graphène de haute qualité. Les méthodes développées par les chercheurs utilisant les ultrasons varient légèrement, mais en général, la production de graphène peut être réalisée en une seule étape.

01 Exfoliation directe du graphène
Les ultrasons peuvent préparer du graphène dans des solvants organiques, des solutions de tensioactifs/aqueuses ou des liquides ioniques. Cela signifie que l'utilisation d'agents oxydants ou réducteurs forts peut être évitée. Stankovich et al. (2007) ont produit du graphène par exfoliation aux ultrasons. Le traitement ultrasonique d'une solution d'oxyde de graphène avec une concentration de 1 mg/ml, les images AFM montrent qu'il y a toujours des flocons d'épaisseur uniforme (1 nm), et il n'y a pas de flocons de graphène d'une épaisseur supérieure à 1 nm ou inférieure à 1 nm dans ces bons échantillons d'exfoliation d'oxyde de graphène. On en conclut que dans ces conditions, une exfoliation complète de l'oxyde de graphène pour obtenir des flocons d'oxyde de graphène uniques est réalisée.

02 Traitement ultrasonique du graphène...

Pour donner un exemple d'un processus spécifique de production de graphène : du graphite est ajouté à un mélange d'acide organique dilué, d'alcool et d'eau, et le mélange est ensuite exposé à un rayonnement ultrasonique. L'acide agit comme un "coin moléculaire" pour séparer les feuilles de graphène du graphite parent. Grâce à ce processus simple, une grande quantité de graphène non dispersé et de haute qualité dispersé dans l'eau est produite.

03 Préparation de feuilles de graphène
Une grande quantité de feuilles de graphène pures a été préparée avec succès dans le processus de production de nanocomposites TiO2-graphène non stœchiométriques par hydrolyse thermique d'une suspension de nanofeuillets de graphène et de complexes de peroxyde de dioxyde de titane. Les nanofeuillets de graphène purs ont été fabriqués à partir de graphite naturel en utilisant un champ de cavitation à haute intensité généré par un processeur ultrasonique dans un réacteur ultrasonique à haute pression à 5 bars. Les feuilles de graphène résultantes ont une surface spécifique élevée et des propriétés électroniques uniques et peuvent être utilisées comme un bon support pour le TiO2 afin d'améliorer l'activité photocatalytique. La qualité du graphène préparé par ultrasons est beaucoup plus élevée que celle obtenue par la méthode de Hummer, dans laquelle le graphite est exfolié et oxydé. Étant donné que les conditions physiques à l'intérieur du réacteur ultrasonique peuvent être contrôlées avec précision et en supposant que la concentration de graphène en tant qu'additif variera dans la plage de 1 à 0,001 %, il est possible de produire du graphène dans un système continu à l'échelle commerciale.

04 Traitement ultrasonique de l'oxyde de graphène
Processus de préparation des couches d'oxyde de graphène (GO) par irradiation ultrasonique. Vingt-cinq milligrammes de poudre d'oxyde de graphène ont été mis en suspension dans 200 millilitres d'eau désionisée. Une suspension brune hétérogène a été obtenue par agitation. La suspension résultante a été traitée par ultrasons (30 minutes, 1,3×105J) et après séchage (373K), de l'oxyde de graphène traité par ultrasons a été préparé. La spectroscopie FTIR a montré que le traitement ultrasonique n'a pas modifié les groupes fonctionnels de l'oxyde de graphène.

05 Fonctionnalisation des feuilles de graphène
Xu et Suslick (2011) ont décrit une méthode en une étape pour la préparation de graphite fonctionnalisé au polystyrène. Dans leur étude, ils ont utilisé des flocons de graphite et du styrène comme matières premières de base. En soumettant des flocons de graphite à des ultrasons dans du styrène (monomère réactif), l'irradiation ultrasonique a conduit à l'exfoliation mécanochimique des flocons de graphite en flocons de graphène monocouches et multicouches. Simultanément, la fonctionnalisation des feuilles de graphène avec des chaînes de polystyrène a été réalisée. Le même processus de fonctionnalisation peut également être réalisé avec d'autres monomères vinyliques de matériaux composites à base de graphène.

06 Préparation de nanoscrolls de carbone
Les nanoscrolls de carbone sont similaires aux nanotubes de carbone à parois multiples. La différence avec les nanotubes de carbone à parois multiples réside dans les extrémités ouvertes et la pleine accessibilité de la surface interne à d'autres molécules. Ils sont synthétisés par voie chimique humide par intercalation du graphite avec du potassium, exfoliation dans l'eau et traitement ultrasonique de la suspension colloïdale. L'enroulement assisté par ultrasons de monocouches de graphène en nanotubes de carbone avec une efficacité de conversion allant jusqu'à 80 % fait de la production de nanotubes un sujet d'actualité pour les applications commerciales.

07 Dispersions de graphène
Le degré de dispersion du graphène et de l'oxyde de graphène est extrêmement important pour exploiter tout le potentiel du graphène et ses propriétés spécifiques. Si le graphène n'est pas dispersé dans des conditions contrôlées, la polydispersité de la dispersion de graphène peut entraîner des effets imprévisibles ou non idéaux une fois incorporée dans un dispositif, car les propriétés du graphène varient en fonction de ses paramètres structurels. La sonication est une méthode de traitement éprouvée qui peut affaiblir les forces intercouches et permet un contrôle précis des paramètres de traitement importants. "Pour l'oxyde de graphène (GO), qui est généralement exfolié sous forme de feuilles monocouches, l'un des principaux défis de la polydispersité est dû à la variation de la surface latérale des flocons. En faisant varier la matière première de graphène et les conditions de sonication, la taille latérale moyenne du GO peut être déplacée de 400 nm à 20 μm. La dispersion ultrasonique du graphène a été démontrée dans de nombreuses autres études pour produire des suspensions colloïdales fines et uniformes."