Verifica dei risultati sperimentali con simulazione sulla produzione di pochi

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9872 (2022) Citare questo articolo

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Il grafene, una straordinaria nanostruttura di carbonio bidimensionale, ha attirato l’attenzione globale grazie alle sue proprietà elettroniche, meccaniche e chimiche; pertanto, è necessario trovare un metodo di produzione di massa economico per produrre grafene. Nella presente ricerca, lo scopo è quello di trovare le condizioni ottimali per l’esfoliazione del grafene a pochi strati (FLG) in una soluzione verde acqua-etanolo. Abbiamo variato diversi parametri della sonda ad ultrasuoni come la quantità di potenza e la durata della sonicazione per studiare gli effetti sul numero di strati di grafene e sulla densità del grafene nella soluzione. Inoltre, è stato fatto un tentativo di prevedere la distribuzione della pressione acustica risolvendo l'equazione d'onda in varie potenze di uscita della sonda ultrasonica (sonotrodo) utilizzando simulazioni numeriche. Le simulazioni e le sperimentazioni si verificano a vicenda. Concludendo che la modifica della potenza di uscita nelle stesse condizioni altererà in modo significativo la pressione acustica all'interno del sonoreattore. La differenza di pressione acustica al 90% della potenza di uscita delle nostre sperimentazioni è molto più elevata che in altre condizioni. I risultati della sperimentazione utilizzando spettri UV-visibili, immagini SEM (microscopio elettronico a scansione), immagini TEM (microscopio elettronico a trasmissione) e spettro Raman indicano che lo spessore minimo e l'esfoliazione massima per questi campioni vengono acquisiti per la sonicazione al 90% della potenza di uscita massima effettiva di il sonicatore è da 264 W per 55 min.

Recentemente, il grafene come singolo strato atomico di carbonio ha attirato una notevole attenzione per la ricerca grazie alla sua nanostruttura unica, alle sue proprietà meccaniche, elettriche e termiche innovative1,2,3,4,5. I primi esperimenti pionieristici sono stati condotti su monostrati microscissi meccanicamente, ma il metodo micromeccanico presenta gli svantaggi di una bassa resa produttiva e di una scarsa produttività. Per utilizzare il grafene per future applicazioni industriali sono necessari metodi di lavorazione su larga scala e ad alto rendimento6. Attualmente, la riduzione dell'ossido di grafene è il metodo scalabile preferito per la preparazione del grafene. In questo metodo, l'ossidazione della grafite seguendo il metodo modificato di Hummer, seguita dall'esfoliazione dell'ossido di grafite in acqua, per dare dispersioni acquose di ossido di grafene (GO) e ulteriormente l'ossidazione può essere rimossa mediante riduzione termica o chimica7,8. Tuttavia, la riduzione dell’ossido di grafene mantiene ancora un’elevata densità di difetti, che ne degrada le proprietà.

La maggior parte dei ricercatori si è concentrata sull’esfoliazione diretta in fase di soluzione delle scaglie di grafite naturale per superare la limitazione dell’ossido di grafene. Alcuni strati di grafene sono stati sintetizzati facendo evaporare il polistirene a pressione atmosferica mediante il metodo di deposizione chimica in fase vapore (APCVD)9,10. I fogli di grafene possono essere estratti mediante sonicazione11 o esfoliazione per taglio12 in una soluzione acquosa di tensioattivo e alcuni solventi organici. Diversi gruppi hanno dimostrato che il grafene può essere preparato in N-metil-2-pirrolidone13 (NMP) e dimetilformammide14 (DMF), per produrre nanofogli di grafene. Questi solventi hanno una tensione superficiale vicina a 40 mJ m−2 e sono adatti per l'esfoliazione diretta della grafite in FLG15. Tuttavia, questi solventi hanno punti di ebollizione elevati che ne limitano la fattibilità per l'uso reale. Pertanto, la dispersione del grafene in solventi a basso punto di ebollizione è utile in molte applicazioni, come i nanocompositi16, la nanoplasmonica17,18,19, il rivestimento intelligente20 e i dispositivi ad alta frequenza21,22,23. Molti rapporti presentano l'effetto dei parametri di sonicazione sui nano-fiocchi di MoS2 e sul grafene prodotti in acqua-etanolo DI24,25,26. Viene riportata una sonicazione semplice, a basso costo ed efficiente dal punto di vista energetico per esfoliare i fiocchi di grafite naturale in etanolo in breve tempo27. Vengono presentati studi volti a determinare il tasso di esfoliazione di varie forme di grafite e del suo ossido utilizzando il metodo top-down e utilizzando la spettroscopia UV-Vis per una comprensione più approfondita della transizione elettronica28,29. In un altro articolo si parla di UV-Vis. metodo per misurare la percentuale di fogli a pochi strati nelle dispersioni GO in modo rapido ed economico30.