grafen oksid – Ultrazvučni piling i disperzija
Ultrazvučni piling je široko korištena tehnika za proizvodnju grafenskog oksida razbijanjem grafitnog oksida na tanke, jednoslojne ili nekoliko slojeva grafena. Hielscher sonikatori stvaraju intenzivnu akustičnu kavitaciju, gdje energetski gusti ultrazvučni valovi stvaraju visokoenergetske mikromjehuriće u tekućem mediju. Ovi kolapsirajući mjehurići stvaraju sile smicanja koje razdvajaju slojeve grafitnog oksida, efikasno ih ljušteći u nano listove grafenskog oksida. Iskoristite prednosti ultrazvuka visokih performansi da svoju aplikaciju zasnovanu na grafenskom oksidu dovedete na viši nivo!
Ultrazvučni piling grafen oksida
Grafen oksid je topiv u vodi, amfifilan, netoksičan, biorazgradiv i može se lako raspršiti u stabilne koloide. Ultrazvučni piling i disperzija je vrlo efikasna, brza i isplativa metoda za sintetizaciju, disperziju i funkcionalizaciju grafenskog oksida u industrijskim razmjerima. U daljnjoj obradi, ultrazvučni disperzatori proizvode kompozite grafen oksid-polimer visokih performansi.
Prednosti ultrazvučnog pilinga
Ultrazvučni piling nudi nekoliko prednosti, uključujući jednostavnost, skalabilnost i ekološku prihvatljivost, jer obično ne zahtijeva jake kemikalije ili složenu obradu. Osim toga, omogućava preciznu kontrolu nad veličinom i debljinom nano listova grafenskog oksida, što je ključno za podešavanje njihovih svojstava u različitim primjenama.
Industrijski sonikator UIP16000hdT za eksfolijaciju grafenskog oksida uz visoku propusnost
Protokol: Ultrazvučni piling grafen oksida
Kako bi se kontrolirala veličina nano listova grafen oksida (GO), metoda pilinga igra ključni faktor. Zbog svojih precizno kontrolisanih parametara procesa, ultrazvučni piling je najraširenija tehnika delaminacije za proizvodnju visokokvalitetnog grafena i grafen oksida.
Za ultrazvučni piling grafenskog oksida iz grafitnog oksida dostupni su različiti protokoli. U nastavku pronađite primjer protokola za ultrazvučni piling grafen oksidom:
Grafitni oksid u prahu se miješa u vodenom KOH sa pH vrijednosti 10. Za piling i naknadnu disperziju koristi se ultrazvučni aparat sonde UP200St (200W). Nakon toga, K+ joni se pričvršćuju na bazalnu ravan grafena da izazovu proces starenja. Starenje se postiže rotacionim isparavanjem (2 h). Kako bi se uklonio višak K+ jona, prašak se pere i centrifugira različito vrijeme.
Dobivena smjesa se centrifugira i suši zamrzavanjem, tako da se taloži disperzibilni prah grafenskog oksida.
Priprema provodljive paste grafenskog oksida: Prašak grafenskog oksida može se dispergovati u dimetilformamidu (DMF) pod sonikacijom kako bi se proizvela provodljiva pasta. (Han et al. 2014.)
Mehanizam ultrazvučnog pilinga grafen oksida
(Sl.: Potts et al. 2011.)
Ultrazvučna funkcionalizacija grafen oksida
Sonikacija se uspješno koristi za ugradnju grafenskog oksida (GO) u polimere i kompozite.
primjeri:
- kompozit mikrosfera grafen oksid-TiO2
- kompozit polistiren-magnetit-grafen oksid (strukturirano jezgro-ljuska)
- kompoziti grafenskog oksida reducirani polistirenom
- kompozit polistiren/grafenski oksid (PANI-PS/GO) presvučen nanovlaknima
- polistiren interkalirani grafen oksid
- p-fenilendiamin-4vinilbenzen-polistiren modificirani grafen oksid
Ultrasonikator UP400St za pripremu disperzija grafenskih nanotrombocita
Primjena grafen oksida proizvedenog ultrazvučnim pilingom
Grafen oksid proizveden ultrazvučnim pilingom ima široku primjenu u različitim poljima. U elektronici se koristi u fleksibilnim vodljivim filmovima i senzorima; u skladištenju energije, poboljšava performanse baterija i superkondenzatora. Antibakterijska svojstva grafen oksida čine ga vrijednim u biomedicinskim primjenama, dok su njegova velika površina i funkcionalne grupe prednost u katalizi i sanaciji okoliša. Sve u svemu, ultrazvučni piling olakšava efikasnu proizvodnju visokokvalitetnog grafenskog oksida za upotrebu u najsavremenijim tehnologijama.
Sonikatori za obradu grafena i grafen oksida
Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne sisteme velike snage za piling, raspršivanje i obradu grafena i grafen oksida. Pouzdani ultrazvučni procesori i sofisticirani reaktori daju preciznu kontrolu, omogućavajući podešavanje ultrazvučnih procesa do željenih ciljeva.
Jedan od ključnih parametara je ultrazvučna amplituda, koja određuje vibracionu ekspanziju i kontrakciju ultrazvučne sonde. Hielscher industrijski ultrasonikatori isporučuju visoke amplitude, do 200 µm, kontinuirano rade 24 sata dnevno. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonde. Svi procesori se mogu precizno prilagoditi uslovima procesa i pratiti putem ugrađenog softvera, osiguravajući pouzdanost, dosljedan kvalitet i ponovljive rezultate.
Hielscher sonikatori su robusni i mogu kontinuirano raditi u teškim okruženjima, čineći sonikaciju preferiranom proizvodnom tehnologijom za pripremu grafena, grafen oksida i grafitnog materijala velikih razmjera.
Širok asortiman ultrazvučnih aparata i pribora, uključujući sonotrode i reaktore različitih veličina i geometrija, omogućava odabir optimalnih uvjeta reakcije i faktora, kao što su reagensi, ulaz ultrazvučne energije, tlak, temperatura i brzina protoka, kako bi se postigao najviši kvalitet . Hielscherovi ultrazvučni reaktori mogu čak stvoriti pritisak do nekoliko stotina bara, omogućavajući ultrazvučnu obradu visoko viskoznih pasta sa viskozitetima većim od 250.000 centipoise.
Ultrazvučna delaminacija i piling odlikuju se konvencionalnim tehnikama zbog ovih faktora.
- velike snage
- velike sile smicanja
- primenljivi visoki pritisci
- precizna kontrola
- besprijekorna skalabilnost (linearna)
- serijski i kontinuirani
- ponovljivi rezultati
- pouzdanost
- robusnost
- Visoka energetska efikasnost
Ultrazvučni sistem za piling grafen oksida
Da biste saznali više o ultrazvučnoj sintezi, disperziji i funkcionalizaciji grafena, kliknite ovdje:
- Proizvodnja grafena
- Graphene Nanoplatelets
- Piling grafena na bazi vode
- grafena disperzibilnog u vodi
- grafen oksid
- Xenes
Činjenice koje vrijedi znati
Ultrazvuk i kavitacija: Kako se grafit eksfolira u grafen oksid pomoću ultrazvuka?
Ultrazvučni piling grafitnog oksida (GrO) zasniva se na visokoj sili smicanja izazvanoj akustičnom kavitacijom. Akustična kavitacija nastaje zbog naizmjeničnih ciklusa visokog/niskog tlaka, koji nastaju spajanjem moćnih ultrazvučnih valova u tekućini. Tokom ciklusa niskog pritiska nastaju veoma male šupljine ili vakuumski mehurići, koji rastu tokom naizmeničnih ciklusa niskog pritiska. Kada vakuumski mjehurići dostignu veličinu u kojoj ne mogu apsorbirati više energije, oni se naglo kolabiraju tokom ciklusa visokog pritiska. Implozija mjehurića rezultira kavitacijskim posmičnim silama i valovima naprezanja, ekstremnom temperaturom do 6000K, ekstremnim brzinama hlađenja iznad 1010K/s, veoma visoki pritisci do 2000 atm, ekstremne razlike pritiska kao i mlaznice tečnosti do 1000 km/h (∼280 m/s).
Te intenzivne sile utječu na grafitne naslage, koji su raslojani u jednoslojni ili višeslojni grafen oksid i netaknute nanoploče grafena.
Šta je grafen oksid?
Grafen oksid (GO) se sintetizira eksfolijacijom grafitnog oksida (GrO). Dok je grafitni oksid 3D materijal koji se sastoji od miliona slojeva slojeva grafena s interkaliranim kisikom, grafen oksid je jednoslojni ili višeslojni grafen koji je oksigeniran s obje strane.
Grafen oksid i grafen se međusobno razlikuju po sljedećim karakteristikama: grafen oksid je polaran, dok je grafen nepolaran. Grafen oksid je hidrofilan, dok je grafen hidrofoban.
To znači da je grafen oksid topiv u vodi, amfifilan, netoksičan, biorazgradiv i formira stabilne koloidne suspenzije. Površina grafenskog oksida sadrži epoksi, hidroksilne i karboksilne grupe koje su dostupne za interakciju s kationima i anionima. Zbog svoje jedinstvene organsko-anorganske hibridne strukture i izuzetnih svojstava, GO-polimer kompoziti nude veliki potencijal za različite industrijske primjene. (Tolasz et al. 2014.)
Šta je redukovani grafen oksid?
Redukovani grafen oksid (rGO) se proizvodi ultrazvučnom, hemijskom ili termičkom redukcijom grafenskog oksida. Tokom koraka redukcije, većina kisikovih funkcionalnosti grafenskog oksida se uklanja tako da rezultirajući reducirani grafen oksid (rGO) ima vrlo slične karakteristike kao netaknuti grafen. Međutim, reducirani grafen oksid (rGO) nije bez defekata i netaknut kao čisti grafen.
Literatura/Reference
- 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.