Centrifuge‐Free Separation of Solution‐Exfoliated 2D Nanosheets via Cross‐Flow Filtration

材料科学 石墨烯 过滤(数学) 超滤(肾) 工艺工程 剥脱关节 石墨 纳米技术 摩擦电效应 微滤 聚合物 化学工程 复合材料 色谱法 遗传学 生物 统计 工程类 化学 数学
作者
Julia R. Downing,Santiago Diaz‐Arauzo,Lindsay E. Chaney,Daphne Tsai,Janan Hui,Jung‐Woo Seo,Deborah R. Cohen,Michael Dango,Jinrui Zhang,Nicholas X. Williams,Justin H. Qian,Jennifer B. Dunn,Mark C. Hersam
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (24) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/adma.202212042
摘要

Abstract Solution‐processed graphene is a promising material for numerous high‐volume applications including structural composites, batteries, sensors, and printed electronics. However, the polydisperse nature of graphene dispersions following liquid‐phase exfoliation poses major manufacturing challenges, as incompletely exfoliated graphite flakes must be removed to achieve optimal properties and downstream performance. Incumbent separation schemes rely on centrifugation, which is highly energy‐intensive and limits scalable manufacturing. Here, cross‐flow filtration (CFF) is introduced as a centrifuge‐free processing method that improves the throughput of graphene separation by two orders of magnitude. By tuning membrane pore sizes between microfiltration and ultrafiltration length scales, CFF can also be used for efficient recovery of solvents and stabilizing polymers. In this manner, life cycle assessment and techno‐economic analysis reveal that CFF reduces greenhouse gas emissions, fossil energy usage, water consumption, and specific production costs of graphene manufacturing by 57%, 56%, 63%, and 72%, respectively. To confirm that CFF produces electronic‐grade graphene, CFF‐processed graphene nanosheets are formulated into printable inks, leading to state‐of‐the‐art thin‐film conductivities exceeding 10 4 S m −1 . This CFF methodology can likely be generalized to other van der Waals layered solids, thus enabling sustainable manufacturing of the diverse set of applications currently being pursued for 2D materials.
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