Qrafen oksidi – Ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiya və dispersiya

Ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiya qrafit oksidini nazik, bir və ya bir neçə təbəqəli qrafen vərəqlərinə ayırmaqla qrafen oksidi istehsal etmək üçün geniş istifadə olunan üsuldur. Hielscher sonikatorları intensiv akustik kavitasiya yaradır; bu zaman yüksək enerji sıxlığına malik ultrasəs dalğaları maye mühitində yüksək enerjili mikroqabarcıqlar əmələ gətirir. Bu qabarcıqların çökməsi qrafit oksidi təbəqələrini bir-birindən ayıran kəsilmə qüvvələri yaradır və onları effektiv şəkildə qrafen oksidi nanovərəqlərinə eksfoliasiya edir. Qrafen oksidinə əsaslanan tətbiqinizi növbəti səviyyəyə çatdırmaq üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs texnologiyasından faydalanın!

Qrafen oksidinin ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiyası

Qrafen oksidi suda həll olur, amfifildir, toksik deyil, bioloji parçalanandır və asanlıqla dispersləşdirilərək sabit kolloidlər əmələ gətirə bilir. Ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiya və dispersiya sənaye miqyasında qrafen oksidini sintez etmək, dispersləşdirmək və funksionallaşdırmaq üçün çox səmərəli, sürətli və iqtisadi cəhətdən sərfəli üsuldur. Sonrakı emal mərhələlərində ultrasəs dispersləşdiriciləri yüksək performanslı qrafen oksidi–polimer kompozitləri istehsal edir.

Ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiyanın üstünlükləri

Ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiya adətən aqressiv kimyəvi maddələr və ya mürəkkəb emal tələb etmədiyindən sadəlik, miqyaslandırıla bilmə və ekoloji uyğunluq daxil olmaqla bir sıra üstünlüklər təqdim edir. Bundan əlavə, qrafen oksidi nanovərəqlərinin ölçüsünə və qalınlığına dəqiq nəzarət etməyə imkan verir; bu isə müxtəlif tətbiqlərdə onların xassələrinin tənzimlənməsi üçün həlledici əhəmiyyət daşıyır.

Videoda ultrasəs homogenizatoru (UP400St, Hielscher Ultrasonics) ilə qrafitin 250mL epoksid qatranında (Toolcraft L) ultrasəslə qarışdırılması və dispersləşdirilməsi göstərilir. Hielscher Ultrasonics laboratoriyada və ya böyük həcmli istehsal proseslərində qrafit, qrafen, karbon nanoboruları, nanotellər və ya doldurucuları dispersləşdirmək üçün avadanlıq istehsal edir. Tipik tətbiqlərə funksionallaşdırma prosesi zamanı nanomaterialların və mikromaterialların dispersləşdirilməsi və ya onların qatranlarda və polimerlərdə dispersləşdirilməsi daxildir.

Protokol: Qrafen oksidinin ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiyası

Qrafen oksidi (GO) nanovərəqlərinin ölçüsünə nəzarət etmək üçün eksfoliasiya üsulu əsas rol oynayır. Proses parametrlərinə dəqiq nəzarət etmək mümkün olduğuna görə ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiya yüksək keyfiyyətli qrafen və qrafen oksidi istehsalında ən geniş istifadə olunan təbəqələrə ayırma üsuludur.
Qrafit oksidindən qrafen oksidinin ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiyası üçün müxtəlif protokollar mövcuddur. Aşağıda qrafen oksidinin ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiyasına dair nümunə protokol təqdim olunur:
Qrafit oksidi tozu pH qiyməti 10 olan sulu KOH məhlulunda qarışdırılır. Eksfoliasiya və sonrakı dispersiya üçün zond tipli UP200St (200W) ultrasəs cihazından istifadə olunur. Daha sonra köhnəlmə prosesini başlatmaq üçün K+ ionları qrafenin bazal müstəvisinə birləşdirilir. Köhnəlmə rotasion buxarlandırma şəraitində (2 h) həyata keçirilir. Artıq K+ ionlarını uzaqlaşdırmaq üçün toz bir neçə dəfə yuyulur və sentrifuqalanır.
Alınan qarışıq sentrifuqalanır və dondurularaq qurudulur, nəticədə dispersləşdirilə bilən qrafen oksidi tozu çökür.
Elektrik keçirici qrafen oksidi pastasının hazırlanması: Elektrik keçirici pasta hazırlamaq üçün qrafen oksidi tozu ultrasəs təsiri altında dimetilformamiddə (DMF) dispersləşdirilə bilər. (Han et al.2014)

Ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiya qrafen nanovərəqləri və qrafen oksidi istehsal etmək üçün geniş istifadə olunur. Böyük həcmli suspenziya axınlarında və qrafenin kütləvi istehsalında istifadə olunan Hielscher ultrasəs sistemləri qrafen sintezinin çox səmərəli, iqtisadi cəhətdən sərfəli və sürətli üsulu kimi üstünlüklərini nümayiş etdirir.
Şəklin mənbəyi: Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.

Qrafen oksidinin ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiyasının mexanizmi
(Şəkil: Potts et al. 2011)

Qrafen oksidinin ultrasəs vasitəsilə funksionallaşdırılması

Ultrasəs emalından qrafen oksidini (GO) polimerlərə və kompozitlərə daxil etmək üçün uğurla istifadə olunur.
Nümunələr:

qrafen oksidi–TiO2 mikrosfer kompoziti
polistirol–maqnetit–qrafen oksidi kompoziti (nüvə–qabıq quruluşlu)
polistirol–reduksiya olunmuş qrafen oksidi kompozitləri
polianilin nanolifləri ilə örtülmüş polistirol/qrafen oksidi (PANI-PS/GO) nüvə–qabıq kompoziti
təbəqələri arasına polistirol daxil edilmiş qrafen oksidi
p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene ilə modifikasiya edilmiş qrafen oksidi

Ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiya ilə istehsal olunan qrafen oksidinin tətbiqləri

Ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiya ilə istehsal olunan qrafen oksidi müxtəlif sahələrdə geniş tətbiq olunur. Elektronikada elastik elektrik keçirici nazik təbəqələrdə və sensorlarda istifadə olunur; enerji saxlama sahəsində isə batareyaların və superkondensatorların performansını artırır. Qrafen oksidinin antibakterial xassələri onu biotibbi tətbiqlər üçün dəyərli edir, böyük səth sahəsi və funksional qrupları isə katalizdə və ətraf mühitin çirklənmədən təmizlənməsində üstünlüklər yaradır. Ümumilikdə, ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiya qabaqcıl texnologiyalarda istifadə üçün yüksək keyfiyyətli qrafen oksidinin səmərəli istehsalını asanlaşdırır.

Yüksək güclü zond tipli sonikatorlarla ultrasəslə təbəqələrə ayırma üsulundan istifadə edərək yüksək keyfiyyətli birtəbəqəli qrafen istehsal etməyi öyrənin. Sonikasiya yüksək çıxımla və əla təbəqə keyfiyyəti ilə qrafen dispersiyalarının istehsalı üçün sadə, səmərəli və miqyası artırıla bilən üsuldur.

Qrafen və qrafen oksidinin emalı üçün sonikatorlar

Hielscher Ultrasonics qrafen və qrafen oksidinin eksfoliasiyası, dispersləşdirilməsi və emalı üçün yüksək güclü ultrasəs sistemləri təklif edir. Etibarlı ultrasəs prosessorları və təkmil reaktorlar dəqiq nəzarəti təmin edərək ultrasəs proseslərini istənilən məqsədlərə uyğun tənzimləməyə imkan verir.
Əsas parametrlərdən biri ultrasəs amplitudasıdır; o, ultrasəs zondunun rəqsi genişlənməsini və yığılmasını müəyyən edir. Hielscher sənaye ultrasəs cihazları 200µm-ə qədər yüksək amplitudalar təmin edir və 24/7 rejimində fasiləsiz işləyir. Daha yüksək amplitudalar üçün xüsusi hazırlanmış ultrasəs zondları mövcuddur. Bütün prosessorlar proses şəraitinə uyğun dəqiq tənzimlənə və daxili proqram təminatı vasitəsilə izlənə bilər; bu, etibarlılığı, sabit keyfiyyəti və təkrar əldə edilə bilən nəticələri təmin edir.
Hielscher sonikatorları möhkəmdir və ağır iş şəraitində fasiləsiz işləyə bilir; bu da ultrasəs emalını qrafen, qrafen oksidi və qrafit materiallarının genişmiqyaslı hazırlanması üçün üstünlük verilən istehsal texnologiyasına çevirir.
Müxtəlif ölçü və həndəsi formalara malik sonotrodlar və reaktorlar daxil olmaqla ultrasəs cihazlarının və aksesuarların geniş məhsul çeşidi ən yüksək keyfiyyətə nail olmaq üçün reagentlər, ultrasəs enerjisi girişi, təzyiq, temperatur və axın sərfi kimi optimal reaksiya şəraitini və amillərini seçməyə imkan verir. Hielscher ultrasəs reaktorlarında hətta bir neçə yüz barg-a qədər təzyiq yaratmaq mümkündür; bu, özlülüyü 250.000 santipuazdan yüksək olan çox özlü pastaların ultrasəslə emalına imkan verir.
Bu amillər sayəsində ultrasəs vasitəsilə təbəqələrə ayırma və eksfoliasiya ənənəvi üsullardan üstündür.

Qrafenin ultrasəs vasitəsilə sintezi, dispersiyası və funksionallaşdırılması haqqında daha ətraflı məlumat üçün buraya klikləyin:

Bilməyə dəyər faktlar

Ultrasəs və kavitasiya: Ultrasəs emalı ilə qrafit necə qrafen oksidinə eksfoliasiya edilir?

Qrafit oksidinin (GrO) ultrasəs vasitəsilə eksfoliasiyası akustik kavitasiyanın yaratdığı yüksək kəsilmə qüvvəsinə əsaslanır. Akustik kavitasiya güclü ultrasəs dalğalarının enerjisinin mayeyə ötürülməsi nəticəsində yaranan növbələşən yüksək təzyiq / aşağı təzyiq dövrlərindən qaynaqlanır. Aşağı təzyiq dövrlərində çox kiçik boşluqlar və ya vakuum qabarcıqları yaranır və bunlar növbələşən aşağı təzyiq dövrləri ərzində böyüyür. Vakuum qabarcıqları daha çox enerji uda bilməyəcəkləri ölçüyə çatdıqda yüksək təzyiq dövründə şiddətlə çökür. Qabarcıqların daxilə doğru çökməsinin nəticələri bunlardır: kavitasiya mənşəli kəsilmə qüvvələri və gərginlik dalğaları, 6000K-ə qədər ifrat temperatur, 10¹⁰K/s-dən yüksək ifrat soyuma sürətləri, 2000atm-ə qədər çox yüksək təzyiqlər, ifrat təzyiq fərqləri, həmçinin sürəti 1000km/h-ə (∼280m/s) qədər olan maye şırnaqları.
Bu intensiv qüvvələr qrafit təbəqə yığınlarına təsir edir və onları bir və ya bir neçə təbəqəli qrafen oksidinə və saf qrafen nanovərəqlərinə ayırır.

Qrafen oksidi nədir?

Qrafen oksidi (GO) qrafit oksidinin (GrO) eksfoliasiyası ilə sintez edilir. Qrafit oksidi aralarına oksigen daxil edilmiş milyonlarla qrafen təbəqəsindən ibarət 3D material olduğu halda, qrafen oksidi hər iki tərəfi oksigenləşdirilmiş bir və ya bir neçə təbəqəli qrafendir.
Qrafen oksidi və qrafen bir-birindən aşağıdakı xüsusiyyətlərinə görə fərqlənir: qrafen oksidi polyardır, qrafen isə qeyri-polyardır. Qrafen oksidi hidrofildir, qrafen isə hidrofobdur.
Bu o deməkdir ki, qrafen oksidi suda həll olur, amfifildir, toksik deyil, bioloji parçalanandır və sabit kolloid suspenziyalar əmələ gətirir. Qrafen oksidinin səthində kationlar və anionlarla qarşılıqlı təsirə girə bilən epoksi, hidroksil və karboksil qrupları mövcuddur. Unikal üzvi–qeyri-üzvi hibrid quruluşları və müstəsna xassələri sayəsində GO–polimer kompozitləri çoxsaylı sənaye tətbiqləri üçün yüksək potensial təqdim edir. (Tolasz et al. 2014)

Reduksiya olunmuş qrafen oksidi nədir?

Reduksiya olunmuş qrafen oksidi (rGO) qrafen oksidinin ultrasəs, kimyəvi və ya termik reduksiyası ilə istehsal edilir. Reduksiya mərhələsində qrafen oksidinin oksigenli funksional qruplarının əksəriyyəti uzaqlaşdırılır, beləliklə alınan reduksiya olunmuş qrafen oksidi (rGO) saf qrafenə çox oxşar xüsusiyyətlərə malik olur. Bununla belə, reduksiya olunmuş qrafen oksidi (rGO) saf qrafen kimi qüsursuz və saf deyil.

Ədəbiyyat/İstinadlar

FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
Gouvea R.A., Konrath Jr L.G., Cava S., Carreno N.L.V., Goncalves M.R.F. (2011): Synthesis of nanometric graphene oxide and its effects when added in MgAl₂O₄ ceramic. 10th SPBMat Brazil.
Kamisan A.I., Zainuddin L.W., Kamisan A.S., Kudin T.I.T., Hassan O.H., Abdul Halim N., Yahya M.Z.A. (2016): Ultrasonic Assisted Synthesis of Reduced Graphene Oxide in Glucose Solution. Key Engineering Materials Vol. 708, 2016. 25-29.
Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
Štengl, V. (2012): Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor. Chemistry – A European Journal 18(44), 2012. 14047-14054.
Tolasz J., Štengl V., Ecorchard P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology IPCBEE vol.78, 2014.
Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.