Ultrazvučna eksfolijacija grafena disperzibilnog u vodi
- Grafenski nanolistovi s jednim i dva sloja mogu se brzo proizvesti ultrazvučnom eksfolijacijom, uz visoku propusnost i niske troškove.
- Ultrazvučno eksfolirani grafen može se funkcionalizirati biopolimerima kako bi se dobio grafen disperzibilan u vodi.
- Ultrazvučnom kavitacijom sintetizirani grafen može se dalje prerađivati u stabilnu disperziju na bazi vode.
Ultrazvučna eksfolijacija visokokvalitetnog grafena
Ultrazvučna obrada je pouzdana metoda za proizvodnju grafenskih slojeva (grafen s jednim slojem, dva sloja i s nekoliko slojeva) iz listića ili čestica grafita. Dok su druge uobičajene tehnike eksfolijacije, poput kugličnih i valjkastih mlinova ili mješalica s visokim smicanjem, povezane s niskim kvalitetom te upotrebom agresivnih reagensa i otapala, metoda ultrazvučne eksfolijacije uvjerava visokim kvalitetom proizvoda, velikim kapacitetom procesa i blagim uvjetima obrade.
Ultrazvučna kavitacija stvara intenzivne smične sile, koje razdvajaju složene slojeve grafita na grafen bez defekata s jednim slojem, dva sloja i s nekoliko slojeva.
Grafenski listovi disperzibilni u vodi pomoću ultrazvučne obrade
Ultrazvučna obrada je djelotvoran postupak s ponovljivim rezultatima za razdvajanje ugljikovih nanocijevi u vodi ili organskim otapalima.[/caption]U normalnim uvjetima grafen se teško disperguje u vodi te pri dispergiranju u vodenom mediju stvara agregate i aglomerate. Budući da vodeni sistemi imaju značajne prednosti jer su jeftini, neotrovni i ekološki prihvatljivi, sistemi grafena na bazi vode vrlo su atraktivni za proizvođače grafena i industriju u nastavku lanca.
Kako bi se dobili grafenski nanolistovi disperzibilni u vodi, ultrazvučno eksfolirani grafen modificira se polisaharidima / biopolimerima kao što su pululan, hitozan, alginat, želatina ili guma arabika.
- grafen visokog kvaliteta
- visok prinos
- disperzija na bazi vode
- visoka koncentracija
- visoka efikasnost
- brz proces
- niski troškovi
- visoka propusnost
- ekološki prihvatljivo
Ultrazvučni reaktor sa ultrazvučnim uređajima sondnog tipa za eksfolijaciju grafena u industrijskom mjerilu
Protokol direktne eksfolijacije grafita pomoću ultrazvuka
Neionski pululan i anionski alginat (1,0 g) zasebno su otopljeni u 20 ml destilirane vode, dok je kationski hitozan (0,4 g) otopljen u 20 ml destilirane vode s 1 wt% octene kiseline. Grafitni prah je dispergiran u vodenim otopinama biopolimera i obrađen ultrazvučnim uređajem sondnog tipa UP200S (maksimalna snaga 200 W, frekvencija 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Njemačka) opremljenim titanskom sonotrodom (mikro vrh S3, promjer vrha 3 mm, maksimalna amplituda 210µm, akustička gustoća snage ili površinski intenzitet 460 W cm-2) pod sljedećim uvjetima: 0,5 ciklus i 50% amplitude, u trajanju od 10, 20, 30, odnosno 60 min. Najbolji rezultati dobiveni su pri ultrazvučnoj obradi od 30min. Ultrazvučna obrada primijenjena je snagom od 16,25 W tokom 30 minuta, uz potrošnju energije (izlazna energija po jedinici volumena) od 731 Ws ml-1.
Potom su smjese centrifugirane na 1500 rpm tokom 60 min radi uklanjanja neeksfoliranih čestica grafita, zatim su isprane 5 puta i ponovo centrifugirane na 5000 rpm tokom 20 min radi uklanjanja viška biopolimera. Dobivene tamnosive otopine sušene su u vakuumu na 40ºC do prestanka gubitka mase. Dobiveni prahovi polimer–grafen ponovo su dispergirani u vodi (1 mg ml-1 za pululan i hitozan; 0,18 mg ml-1 za alginat) radi karakterizacije. Grafenski listovi dobiveni ultrazvučnom obradom uz pomoć pululana, alginata i hitozana označeni su redom kao pull-G, alg-G i chit-G.
Od ta tri sistema, pululan i hitozan bili su djelotvorniji u eksfolijaciji grafita nego alginat. Ovom metodom dobiveni su eksfolirani grafenski listovi s jednim slojem, dva sloja i s nekoliko slojeva, sa samo malim lateralnim defektima (na rubovima). Adsorpcija biopolimera na površinu grafena osigurava dugotrajnu stabilnost (više od 6 mjeseci) vodene disperzije.
(usp. Unalan et al. 2015)
Brza sekvenca snimaka (od a do f) koja prikazuje sonomehaničku eksfolijaciju listića grafita u vodi pomoću UP200S, ultrazvučnog uređaja od 200W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (eksfolijacije), pri čemu kavitacijski mjehurići prodiru u procjep.
(studija i slike: © Tyurnina et al. 2020
TEM snimci uzorka pull-G za: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G za 30 min; (f) alg-G za 30 min. (Unalan et al. 2015)
Ultrazvučni uređaji za eksfolijaciju grafena
Hielscher ultrazvučni procesori velike snage koriste se širom svijeta za uspješnu eksfolijaciju i dispergiranje grafita i grafena. Naši ultrazvučni disperzatori dostupni su od laboratorijskih i stolnih do punih industrijskih proizvodnih jedinica. Pored robusnosti, rada 24/7 i niskog održavanja, Hielscher ultrazvučni uređaji uvjeravaju jednostavnošću obrade i linearnom skalabilnošću.
Procesi se mogu lako testirati i optimizirati u laboratoriju. Nakon toga svi se rezultati procesa mogu potpuno linearno skalirati na nivo komercijalne proizvodnje. Zahvaljujući tome ultrazvučna obrada je djelotvorna i efikasna metoda proizvodnje za veliku količinu visokokvalitetnih grafenskih listova.
Hielscher Ultrasonics industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su sonotrode izrađene po narudžbi. Odgovarajući ultrazvučni reaktori osiguravaju mogućnost pouzdane i sigurne masovne proizvodnje visokokvalitetnih grafenskih nanolistova, kao i stabilnih disperzija nanolistova.
Robusnost ultrazvučne opreme kompanije Hielscher omogućava rad 24/7 pri teškim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Mehanizam ultrazvučne eksfolijacije 2D nanolistova.
(studija i grafika: Tyurnina et al., 2020)
Zanimljivosti vrijedne znanja
Grafen
Grafen je monosloj sp2-vezanih ugljikovih atoma. Grafen nudi jedinstvene karakteristike materijala, kao što su izuzetno velika specifična površina (2620 m2 g-1), vrhunska mehanička svojstva s Youngovim modulom od 1 TPa i intrinzičnom čvrstoćom od 130 GPa, izuzetno visoka elektronska provodljivost (pokretljivost elektrona na sobnoj temperaturi od 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), vrlo visoka toplotna provodljivost (iznad 3000 W m K-1), da spomenemo najvažnija svojstva. Zahvaljujući vrhunskim svojstvima materijala, grafen se intenzivno koristi u razvoju i proizvodnji visokoučinkovitih baterija, gorivnih ćelija, solarnih ćelija, superkondenzatora, spremnika vodika, elektromagnetskih štitova i elektronskih uređaja. Osim toga, grafen se kao aditiv za ojačavanje ugrađuje u mnoge nanokompozite i kompozitne materijale, npr. u polimere, keramiku i metalne matrice. Zbog visoke provodljivosti grafen je važna komponenta provodljivih boja i tinti.
Brza i sigurna ultrazvučna priprema grafena bez defekata u velikim količinama i uz niske troškove omogućava proširenje primjene grafena na sve više industrija.
Literatura/Reference
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijskih do industrijskih veličina.