графенов оксид – Ултразвуково ексфолиране и дисперсия
Ултразвуковото ексфолиране е широко използвана техника за производство на графенов оксид чрез разграждане на графитен оксид на тънки, еднослойни или няколко слоеви графенови листове. Ултразвуковите уреди на Хилшер създават интензивна акустична кавитация, при която енергийно плътните ултразвукови вълни генерират високоенергийни микромехурчета в течна среда. Тези свиващи се мехурчета създават сили на срязване, които разделят слоевете графитен оксид, ефективно ги ексфолират в нанолистове от графенов оксид. Възползвайте се от високопроизводителната ултразвукова техника, за да изведете приложението си на основата на графенов оксид на следващото ниво!
Ултразвуково ексфолиране на графенов оксид
Графеновият оксид е водоразтворим, амфифилен, нетоксичен, биоразградим и може лесно да се диспергира в стабилни колоиди. Ултразвуковото ексфолиране и диспергиране е много ефективен, бърз и рентабилен метод за синтезиране, диспергиране и функционализиране на графенов оксид в индустриален мащаб. При последващата обработка ултразвуковите диспергатори произвеждат високоефективни графенооксидно-полимерни композити.
Предимства на ултразвуковото ексфолиране
Ултразвуковото ексфолиране предлага няколко предимства, включително простота, мащабируемост и екологичност, тъй като обикновено не изисква агресивни химикали или сложна обработка. Освен това позволява прецизен контрол върху размера и дебелината на нанолистовете от графенов оксид, което е от решаващо значение за настройката на техните свойства в различни приложения.
Индустриален ултразвуков уред UIP16000hdT за ексфолиране на графенов оксид при висока производителност
Протокол: Ултразвуково ексфолиране на графенов оксид
За да се контролира размерът на нанолистовете от графенов оксид (GO), методът на ексфолиране играе ключов фактор. Благодарение на прецизно контролираните си параметри на процеса, ултразвуковото ексфолиране е най-широко използваната техника за разслояване за производство на висококачествен графен и графенов оксид.
За ултразвуково ексфолиране на графенов оксид от графитен оксид са налични различни протоколи. Намерете примерен протокол за ултразвуково ексфолиране на графенов оксид по-долу:
Прахът от графитен оксид се смесва във воден KOH със стойност на рН 10. За ексфолирането и последващото разпръскване се използва ултразвуков ултразвук тип сонда UP200St (200W). След това K+ йоните се прикрепят към базалната равнина на графена, за да предизвикат процес на стареене. Стареенето се постига при ротационно изпаряване (2 часа). За да се премахнат излишните K+ йони, прахът се измива и центрофугира няколко пъти.
Получената смес се центрофугира и лиофилизира, така че да се утаи диспергиращ се прах от графенов оксид.
Приготвяне на проводима паста от графенов оксид: Прахът от графенов оксид може да бъде диспергиран в диметилформамид (DMF) под ултразвук, за да се получи проводима паста. (Han et al.2014)
Механизмът на ултразвуково ексфолиране на графенов оксид
(Снимка: Potts et al. 2011)
Ултразвукова функционализация на графенов оксид
Сонирането се използва успешно за включване на графенов оксид (GO) в полимери и композити.
Примери:
- графенов оксид-TiO2 микросферен композит
- Полистирол-магнетит-графенооксид композит (структуриран ядро-черупка)
- Композити с редуциран графенов оксид от полистирол
- полианилиново покритие от нановлакна от полистирол/графенов оксид (PANI-PS/GO) композитна обвивка
- Полистирол-интеркалиран графенов оксид
- P-фенилендиамин-4винилбензен-полистирол модифициран графенов оксид
Ултразвуков апарат UP400St за получаване на графенови нанотромбоцитни дисперсии
Приложения на графенов оксид, получен чрез ултразвуково ексфолиране
Графеновият оксид, произведен чрез ултразвуково ексфолиране, има широко приложение в различни области. В електрониката се използва в гъвкави проводими филми и сензори; При съхранението на енергия подобрява производителността на батериите и суперкондензаторите. Антибактериалните свойства на графеновия оксид го правят ценен в биомедицинските приложения, докато неговата висока повърхност и функционални групи са полезни при катализа и възстановяване на околната среда. Като цяло ултразвуковото ексфолиране улеснява ефективното производство на висококачествен графенов оксид за използване в авангардни технологии.
Соникатори за обработка на графен и графенов оксид
Hielscher Ultrasonics предлага високомощни ултразвукови системи за ексфолиране, диспергиране и обработка на графен и графенов оксид. Надеждните ултразвукови процесори и усъвършенстваните реактори осигуряват прецизен контрол, позволявайки настройката на ултразвуковите процеси към желаните цели.
Един от ключовите параметъри е ултразвуковата амплитуда, която определя вибрационното разширение и свиване на ултразвуковата сонда. Индустриалните ултразвукови апарати на Hielscher осигуряват високи амплитуди, до 200 μm, непрекъсната работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонди. Всички процесори могат да бъдат прецизно настроени към условията на процеса и да се наблюдават чрез вграден софтуер, осигурявайки надеждност, постоянно качество и възпроизводими резултати.
Ултразвукозаторите на Hielscher са здрави и могат да работят непрекъснато в тежки условия, което прави ултразвука предпочитана производствена технология за подготовка на широкомащабен графен, графенов оксид и графитен материал.
Широката продуктова гама от ултразвукови уреди и аксесоари, включително сонотроди и реактори с различни размери и геометрия, позволява избора на оптимални реакционни условия и фактори, като реагенти, ултразвукова енергия, налягане, температура и дебит, за постигане на най-високо качество. Ултразвуковите реактори на Hielscher могат дори да издигат налягане до няколкостотин барга, което позволява ултразвука на силно вискозни пасти с вискозитет над 250 000 сантипуа.
Ултразвуковото разслояване и ексфолиране превъзхождат конвенционалните техники поради тези фактори.
- висока мощност
- Високи сили на срязване
- приложими високи налягания
- прецизен контрол
- Безпроблемна мащабируемост (линейна)
- партиден и непрекъснат
- възпроизводими резултати
- надеждност
- Стабилност
- висока енергийна ефективност
Ултразвукова система за ексфолиране на графенов оксид
За да научите повече за ултразвуковия графен синтез, дисперсия и функционализация, моля кликнете тук:
- Производство на графен
- Графенови нанопластинки
- Ексфолиране на графен на водна основа
- Водно-диспергиращ се графен
- графенов оксид
- Ксени
Факти, които си струва да знаете
Ултразвук и кавитация: Как се ексфолира графитът до графенов оксид с помощта на Sonication?
Ултразвуковото ексфолиране на графитен оксид (GrO) се основава на високата сила на срязване, предизвикана от акустична кавитация. Акустичната кавитация възниква поради редуващите се цикли на високо? ниско налягане, които се генерират от свързването на мощни ултразвукови вълни в течност. По време на циклите на ниско налягане се появяват много малки кухини или вакуумни мехурчета, които растат през редуващите се цикли на ниско налягане. Когато вакуумните мехурчета достигнат размер, при който не могат да абсорбират повече енергия, те се срутват силно по време на цикъл на високо налягане. Имплозията на мехурчето води до кавитационни сили на срязване и вълни на напрежение, екстремна температура до 6000K, екстремни скорости на охлаждане над 1010K/s, много високо налягане до 2000 атм, екстремни разлики в налягането, както и течни струи със скорост до 1000 км/ч (∼280 м/сек).
Тези интензивни сили влияят на графитните стекове, които се разслояват на еднослойни или няколко слоя графенов оксид и девствени графенови нанолистове.
Какво е графенов оксид?
Графеновият оксид (GO) се синтезира чрез ексфолиращ графитен оксид (GrO). Докато графитният оксид е 3D материал, състоящ се от милиони слоеве графенови слоеве с интеркалирани кислороди, графеновият оксид е еднослоен или няколко слоя графен, който е оксигениран от двете страни.
Графеновият оксид и графенът се различават един от друг по следните характеристики: графеновият оксид е полярен, докато графенът е неполярен. Графеновият оксид е хидрофилен, докато графенът е хидрофобен.
Това означава, че графеновият оксид е водоразтворим, амфифилен, нетоксичен, биоразградим и образува стабилни колоидни суспензии. Повърхността на графеновия оксид съдържа епоксидни, хидроксилни и карбоксилни групи, които са на разположение за взаимодействие с катиони и аниони. Благодарение на уникалната си органично-неорганична хибридна структура и изключителни свойства, GO-полимерните композити предлагат висок потенциал за разнообразни промишлени приложения. (Tolasz et al. 2014)
Какво е редуциран графенов оксид?
Редуцираният графенов оксид (rGO) се получава чрез ултразвукова, химическа или термична редукция на графенов оксид. По време на етапа на редукция повечето кислородни функционалности на графеновия оксид се отстраняват, така че полученият редуциран графенов оксид (rGO) има много сходни характеристики с девствения графен. Въпреки това, редуцираният графенов оксид (rGO) не е бездефектен и девствен като чистия графен.
Литература/Препратки
- 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.