Графенови нанопластинки, синтезирани и диспергирани чрез ултразвукова обработка със сонда

Графеновите нанопластинки (GNPs) могат да бъдат синтезирани и диспергирани с висока ефективност и надеждност с помощта на ултразвукови апарати. Високоинтензивната ултразвукова обработка се използва за ексфолиране на графит и получаване на графен с малко на брой слоеве, често наричан графенови нанопластинки. Ултразвуковата обработка се отличава и с постигането на отлично разпределение на графеновите нанопластинки както в нисковискозни, така и във високовискозни суспензии.

Обработка на графенови нанопластинки – превъзходни резултати с ултразвукова обработка

За обработката на графенови нанопластинки ултразвуковите апарати със сонда са най-ефективният, надежден и лесен за използване инструмент. Тъй като ултразвуковата обработка може да се прилага за синтез, диспергиране и функционализиране на графенови нанопластинки, ултразвуковите апарати се използват за множество приложения, свързани с графена:

• Ексфолиране и синтез Ултразвуковите апарати със сонда се използват за ексфолиране на графит до графен с малко на брой слоеве или графенови нанопластинки. Високоинтензивната ултразвукова обработка преодолява междуслойните сили и разделя графита на по-малки, отделни графенови листове.
• Диспергиране: Постигането на равномерно диспергиране на графеновите нанопластинки в течна среда е от решаващо значение за всички приложения, свързани с графена. Ултразвуковите апарати със сонда могат да диспергират нанопластинките равномерно в целия обем на течността, като предотвратяват агломерацията и осигуряват стабилна суспензия.
• Функционализиране: Ултразвуковата обработка улеснява функционализирането на графеновите нанопластинки, като подпомага прикрепването на функционални групи или молекули към техните повърхности. Това функционализиране подобрява съвместимостта им с определени полимери или материали.

Синтез на графенови нанопластинки чрез ултразвукова обработка

Графеновите нанопластинки могат да бъдат синтезирани чрез подпомагано с ултразвук ексфолиране на графит. За целта графитна суспензия се подлага на ултразвукова обработка с ултразвуков хомогенизатор със сонда. Тази процедура е изпитана при концентрации на твърдата фаза от много ниски (напр. 4wt% или по-ниски) до високи (напр. 10wt% или по-високи).
 
Ghanem и Rehim (2018) съобщават за ултразвуково ексфолиране на графит във вода с помощта на натриев додецилбензенсулфонат (SDS) за получаване на диспергирани графенови нанопластинки. Използването на ултразвуковия апарат със сонда UP 100H е позволило успешното получаване на графен без дефекти с малко на брой слоеве (>5). Използван е следният прекурсор: редуцирани графенови нанолистове са получени по метода Hummer и са обработени чрез две допълнителни стъпки – окисление на графита, последвано от редукция на графеновия оксид. По този начин диспергирани графенови нанопластинки са получени във вода чрез метод за диспергиране в разтворител (вижте схемата по-долу). Графитните слоеве са ексфолирани чрез ултразвукова обработка с ултразвуковия апарат със сонда UP100H (100 W). 0,25 g SDS са разтворени в 150 mL дейонизирана вода, след което са добавени 0,5 g графит. Графитният разтвор е подложен на ултразвукова обработка за 12h в ледена баня, след което суспензията е центрофугирана при 686× g за 30 min за отстраняване на едрите частици. Утайката е изхвърлена, а супернатантът е центрофугиран повторно за 90 min при 12 600× g. Получените диспергирани графенови нанопластинки са промити добре няколко пъти, за да се отстрани повърхностноактивното вещество. Накрая продуктът е изсушен при 60ºC под вакуум.

Изображения от трансмисионна електронна микроскопия с висока разделителна способност на графенови нанолистове, получени
чрез подпомагано с ултразвук диспергиране във водна фаза и метода Hummer.
(Изследване и графика: Ghanem и Rehim, 2018)

Каква е разликата между графеновите листове и нанопластинките?

Графеновите листове и графеновите нанопластинки са наноматериали, съставени от графен, който представлява един слой въглеродни атоми, подредени в хексагонална решетка. Понякога термините графенови листове и графенови нанопластинки се използват взаимозаменяемо. От научна гледна точка обаче между тези графенови наноматериали има няколко разлики: основната разлика между графеновите листове и графеновите нанопластинки е 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 графенови слоеве, подредени един върху друг. Тези структурни разлики могат да повлияят на свойствата им и пригодността им за конкретни приложения. Използването на ултразвукови апарати със сонда е високоефективен и ефикасен метод за синтезиране, диспергиране и функционализиране както на еднослойни графенови листове, така и на графенови нанопластинки с малко на брой слоеве, подредени един върху друг.

Графика, илюстрираща ултразвуковия синтез на графенови нанопластинки с ултразвуковия апарат UP100H
(Изследване и графика: Ghanem и Rehim, 2018)

Диспергиране на графенови нанопластинки чрез ултразвукова обработка

Равномерното диспергиране на графеновите нанопластинки (GNPs) е от решаващо значение за различни приложения, тъй като пряко влияе на свойствата и експлоатационните характеристики на получените материали или продукти. Поради това в различни промишлени отрасли се инсталират ултразвукови апарати за получаване на дисперсии на графенови нанопластинки. Следните отрасли са показателни примери за използването на мощен ултразвук:
 

• Нанокомпозити: Графеновите нанопластинки могат да бъдат включени в различни нанокомпозитни материали, като полимери, за подобряване на техните механични, електрически и топлинни свойства. Ултразвуковите апарати със сонда подпомагат равномерното диспергиране на нанопластинките в полимерната матрица, което води до подобрени експлоатационни характеристики на материала.
• Електроди и батерии: Графеновите нанопластинки се използват при разработването на високоефективни електроди за батерии и суперкондензатори. Ултразвуковата обработка помага за създаването на добре диспергирани електродни материали на основата на графен с увеличена повърхностна площ, което подобрява възможностите за съхранение на енергия.
• Катализа: Ултразвуковата обработка може да се използва за получаване на каталитични материали на основата на графенови нанопластинки. Равномерното диспергиране на каталитични наночастици върху графеновата повърхност може да повиши каталитичната активност при различни реакции.
• Сензори: Графеновите нанопластинки могат да се използват при производството на сензори за различни приложения, включително откриване на газове, биосензорно измерване и мониторинг на околната среда. Ултразвуковата обработка осигурява хомогенно разпределение на нанопластинките в сензорните материали, което води до подобрена чувствителност и ефективност.
• Покрития и филми: Ултразвуковите апарати със сонда се използват за получаване на покрития и филми на основата на графенови нанопластинки за приложения в електрониката, авиационната и космическата промишленост и защитните покрития. Равномерното диспергиране и добрата адхезия към подложките са от решаващо значение за тези приложения.
• Биомедицински приложения: В биомедицинските приложения графеновите нанопластинки могат да се използват за доставяне на лекарства, образна диагностика и тъканно инженерство. Ултразвуковата обработка подпомага получаването на наночастици и композити на основата на графен, използвани в тези приложения.

Изображения от сканираща електронна микроскопия (SEM) на графенови нанопластинки при (b) X3000 и (c) X8000
(Изследване и изображения: ©Alizadeh и съавт., 2018)

Научно доказани резултати за ултразвуково получени дисперсии на графенови нанопластинки

Учените са използвали ултразвукови апарати Hielscher за синтез и диспергиране на графенови нанопластинки в множество изследвания и са изпитали задълбочено ефектите на ултразвуковата обработка. По-долу можете да намерите няколко примера за успешно смесване на графенови нанопластинки с различни смеси, като водни суспензии, епоксидни смоли или строителен разтвор.
 
Често използвана процедура за надеждно, бързо и равномерно диспергиране на графенови нанопластинки е следната:
За диспергирането графеновите нанопластинки са подложени на ултразвукова обработка в чист ацетон с ултразвуковия смесител Hielscher UP400S за почти един час, за да се предотврати агломерацията на графеновите листове. Ацетонът е отстранен напълно чрез изпаряване. След това графеновите нанопластинки са добавени в количество 1 wt % от епоксидната система и са подложени на ултразвукова обработка в епоксидната смола при 90W за 15 минути.
(срв. Cakir и съавт., 2016)
 
Друго изследване проучва подобряването на нанофлуиди на основата на йонни течности (йонанофлуиди) чрез добавяне на графенови нанопластинки. За превъзходно диспергиране сместа от графенови нанопластинки, йонна течност и натриев додецилбензенсулфонат е хомогенизирана с ултразвуковия апарат със сонда Hielscher UP200S за около 90 min.
(срв. Alizadeh и съавт., 2018)

 
Tragazikis и съавт. (2019) съобщават за ефективното включване на графенови нанопластинки в строителен разтвор. За целта водни графенови суспензии са получени чрез добавяне на нанопластинки – в масови количества, определени от желаното целево съдържание в получените материали – към смеси от обикновена чешмяна вода и пластификатор, последвано от разбъркване с магнитна бъркалка за 2 min. Суспензиите са хомогенизирани чрез ултразвукова обработка за 90 min при стайна температура с апарат Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH), оборудван със сонотрод с диаметър 22mm, предаващ енергия със скорост 4500 J/min при честота 24 kHz. Конкретната комбинация от скорост на предаване на енергията и продължителност на ултразвуковата обработка е установена като оптимална след щателно изследване на влиянието на параметрите на ултразвуковата обработка върху качеството на суспензията.
(срв. Tragazikis и съавт., 2019)
 
Zainal и съавт. (2018) посочват в своето изследване, че подходящ метод за диспергиране, като ултразвуковата обработка, гарантира, че наноматериали като графеновите нанопластинки могат да подобрят свойствата на запълващите материали. Това се дължи на факта, че диспергирането е един от най-важните фактори за получаването на висококачествени нанокомпозити, като епоксиден инжекционен разтвор.

Високопроизводителни ултразвукови апарати за обработка на графенови нанопластинки

Hielscher Ultrasonics е пазарният лидер при високопроизводителните ултразвукови апарати за обработка на наноматериали. Ултразвуковите апарати със сонда Hielscher се използват по целия свят в лаборатории и промишлени условия за различни приложения, включително обработка на графенови нанопластинки.
Най-съвременните технологии, германското майсторство и инженерно дело, както и дългогодишният технически опит правят Hielscher Ultrasonics Вашия предпочитан партньор за успешно прилагане на ултразвук.

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати Hielscher са добре известни с най-високите си стандарти за качество и проектиране. Устойчивостта и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати Hielscher лесно се справят с тежки условия и взискателни среди.

Hielscher Ultrasonics е компания, сертифицирана по ISO, и поставя специален акцент върху високопроизводителните ултразвукови апарати с най-съвременни технологии и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати Hielscher са в съответствие с CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

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