Графенови нанопластинки, синтезирани и диспергирани чрез сонда-соникация

Графеновите нанотромбоцити (GNP) могат да бъдат синтезирани и диспергирани с висока ефективност и надеждност с помощта на ултразвукори. Ултразвукът с висока интензивност се използва за ексфолиране на графит и получаване на многослоен графен, често наричан графенови нанопластинки. Соникацията също така се отличава с постигането на отлично разпределение на графеновите нанотромбоцити както в ниско, така и в силно вискозни суспензии.

Обработка на графенови нанопластинки – Превъзходни резултати с Sonication

За обработка на графенови нанотромбоцити сондовите сонди са най-ефективният, надежден и лесен за използване инструмент. Тъй като ултразвукът може да се прилага за синтез, дисперсия и функционализация на графенови нанопластинки, ултразвукораздвижните апарати се използват за множество приложения, свързани с графена:

• Ексфолиране и синтез Сондовите ултразвукораздвижители се използват за ексфолиране на графит в многослойни графени или графенови нанопластинки. Ултразвукът с висока интензивност нарушава силите между слоя и разгражда графита на по-малки, отделни листове графен.
• Дисперсия: Постигането на равномерна дисперсия на графенови нанопластинки в течна среда е от решаващо значение за всички приложения, свързани с графена. Сондовите ултразвукораздвижители могат да разпръскват нанопластинките равномерно в течността, предотвратявайки агломерацията и осигурявайки стабилна суспензия.
• Функционализация: Сонирането улеснява функционализацията на графеновите нанопластинки, като насърчава прикрепването на функционални групи или молекули към техните повърхности. Тази функционализация подобрява тяхната съвместимост със специфични полимери или материали.

Синтез на графенови нанопластинки чрез соникация

Графеновите нанотромбоцити могат да бъдат синтезирани чрез ултразвуково асистирано графитно ексфолиране. Следователно, графитната суспензия се ултразвуков хомогенизатор тип сонда. Тази процедура е тествана с много ниски (напр. 4 тегловни % или по-ниски) до високи твърди (напр. 10 тегловни процента или по-високи) концентрации.
 
Ghanem and Rehim (2018) report the ultrasonic exfoliation of graphite in water with the aid of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) in order to prepare dispersed graphene nanoplatelets using a the probe-type sonicator UP 100H allowed for the successful preparation of defect-free few-layer graphene (>5). The following precursor was used: reduced graphene nanosheets were prepared via Hummer method and treated with two additional steps, oxidation of graphite followed by reduction of graphene oxide. Thereby, dispersed graphene nanoplatelets were obtained in water via solvent dispersion method (see scheme below). Graphite layers were exfoliated with sonication using the probe-type sonicator UP100H (100 W). 0.25 g SDS was dissolved in 150 mL deionized water and then 0.5 g of graphite was added. The graphite solution was sonicated for 12h in an ice bath and then the suspension solution was centrifuged at 686× g for 30 min to remove the large particles. The precipitate was discarded and supernatant was re-centrifuged for 90 min at 12,600× g. The obtained dispersed graphene nanoplatelets were washed well several times to get rid of the surfactant. Finally, the product was dried at 60ºC under vacuum.

Получени изображения на електронен микроскоп с висока разделителна способност на графенови нанолистовечрез ултразвукова водно-фазова дисперсия и метод на Хумер.(Проучване и графика: Ghanem and Rehim, 2018)

Каква е разликата между графенови листове и нанопластинки?

Графеновите листове и графеновите нанопластинки са наноматериали, съставени от графен, който представлява един слой въглеродни атоми, подредени в шестоъгълна решетка. Понякога графеновите листове и графеновите нанопластинки се използват като взаимозаменяеми термини. Но научно има няколко разлики между тези графенови наноматериали: Основната разлика между графеновите листове и графеновите нанопластинки се крие в тяхната структура и дебелина. Графеновите листове се състоят от един слой въглеродни атоми и са изключително тънки, докато графеновите нанопластинки са по-дебели и се състоят от множество подредени графенови слоеве. Тези структурни различия могат да повлияят на техните свойства и пригодност за специфични приложения. Използването на сондови ултразвукораздвижители е високоефективна и ефикасна техника за синтез, диспергиране и функционализиране на графенови еднослойни графенови листове, както и на многослойни подредени графенови нанопластинки.

Графично визуализиране на ултразвуковия синтез на графенови нанопластинки с помощта на ултразвуковия апарат UP100H(Проучване и графика: Ghanem and Rehim, 2018)

Дисперсия на графенови нанопластинки с помощта на Sonication

Равномерната дисперсия на графеновите нанопластинки (GNPs) е от решаващо значение в различни приложения, тъй като пряко влияе върху свойствата и производителността на получените материали или продукти. Поради това се инсталират ултразвукораздвижители за графенови нанотромбоцитни дисперсии в различни индустрии. Следните индустрии са видни примери за използването на силов ултразвук:
 

• Нанокомпозити: Графеновите нанопластинки могат да бъдат включени в различни нанокомпозитни материали, като полимери, за да подобрят техните механични, електрически и термични свойства. Сондовите ултразвукови апарати помагат за равномерно разпръскване на нанопластинките в полимерната матрица, което води до подобрена производителност на материала.
• Електроди и батерии: Графеновите нанопластинки се използват при разработването на високоефективни електроди за батерии и суперкондензатори. Соникацията помага за създаването на добре диспергирани електродни материали на основата на графен с увеличена повърхност, което подобрява възможностите за съхранение на енергия.
• Катализа: Уникирането може да се използва за приготвяне на каталитични материали на базата на графенови нанотромбоцити. Равномерната дисперсия на каталитичните наночастици върху повърхността на графена може да засили каталитичната активност в различни реакции.
• Сензори: Графеновите нанопластинки могат да се използват при производството на сензори за различни приложения, включително сензори за газ, биосензори и мониторинг на околната среда. Сонирането осигурява хомогенно разпределение на нанопластинките в сензорните материали, което води до подобрена чувствителност и производителност.
• Покрития и филми: Сондовите ултразвукораздвижители се използват за приготвяне на покрития и филми на основата на графенови нанотромбоцити за приложения в електрониката, космическата индустрия и защитните покрития. Равномерната дисперсия и правилната адхезия към основите са от решаващо значение за тези приложения.
• Биомедицински приложения: В биомедицинските приложения графеновите нанотромбоцити могат да се използват за доставка на лекарства, образна диагностика и тъканно инженерство. Соникацията помага при приготвянето на наночастици и композити на основата на графен, използвани в тези приложения.

SEM изображения на графенови нанопластинки при (b) X3000 и (c) X8000(Проучване и изображения: ©Alizadeh et al., 2018)

Научно доказани резултати за ултразвукови графенови нанотромбоцитни дисперсии

Учените са използвали ултразвукозащитници на Hielscher за синтез и дисперсия на графенови нанопластинки в многобройни проучвания и са тествали енергично ефектите от ултразвука. По-долу можете да намерите няколко примера за успешното смесване на графенови нанопластинки в различни смеси като водни суспензии, експозиционни смоли или хоросан.
 
Често срещана процедура за надеждна, бърза и равномерна дисперсия на графенови нанопластиноцити е следната процедура:
За дисперсия, графеновите нанопластинки са ултразвукови в чист ацетон с помощта на ултразвуковия миксер на Hielscher UP400S за почти един час, за да се предотврати агломерация на графенови листове. Ацетонът беше напълно отстранен чрез изпаряване. След това графеновите нанотромбоцити се добавят при 1 тегловна % от епоксидната система и се озвучават в епоксидната смола при 90 W за 15 минути.
(срв. Cakir et al., 2016)
 
Друго проучване изследва подсилването на йонни течни нанофлуиди (йонанофлуиди) чрез добавяне на графенови нанопластини. За превъзходна дисперсия сместа от графенови нанопластинки, йонна течност и натриев додецил бензен сулфонат е хомогенизирана с помощта на сондата UP200S на Hielscher за около 90 минути.
(срв. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) съобщават за ефективното включване на графенови нанопластинки в хоросан. Следователно, водни графенови суспензии се произвеждат чрез добавяне на нанотромбоцити – при тегла, вписани от желаното целево съдържание в получените материали – в смеси от обикновена чешмяна вода и пластификатор и последващо магнитно разбъркване в продължение на 2 минути. Суспензиите са хомогенизирани чрез ултразвук за 90 минути при стайна температура, като се използва устройство Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH), оборудвано с 22 мм сонотрод, осигуряващо пропускателна мощност от 4500 J/min при честота 24 kHz. Специфичната комбинация от скорост на енергия и продължителност на ултразвука е установена като оптимална след щателно изследване на ефекта на параметрите на ултразвука върху качеството на суспензията.
(срв. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) заявяват в своето изследване, че правилната техника на дисперсия, като ултразвук, гарантира, че наноматериали като графенови нанопластини могат да подобрят свойствата на материалите за пълнене. Това се дължи на факта, че дисперсията е един от най-важните фактори за производството на висококачествени нанокомпозити като епоксидна фугираща смес.

Високоефективни соникатори за обработка на графенови нанопластинки

Hielscher Ultrasonics е лидер на пазара, когато става въпрос за високоефективни ултразвукови апарати за обработка на наноматериали. Сондовите ултразвукораздиратели на Hielscher се използват по целия свят в лаборатории и промишлени условия за различни приложения, включително обработка на графенови нанотромбоцити.
Най-съвременните технологии, немската изработка и инженерство, както и дългогодишният технически опит правят Hielscher Ultrasonics ваш предпочитан партньор за успешно ултразвуково приложение.

Проектиране, производство и консултиране – Качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и дизайн. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Тежките условия и взискателните условия се справят лесно с ултразвуковите апарати на Hielscher.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови уреди, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher са съвместими с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: