Grafenové nanodestičky syntetizované a dispergované pomocí sonuterapie sondou

Grafenové nanodestičky (GNP) mohou být syntetizovány a dispergovány s vysokou účinností a spolehlivostí pomocí sonikátorů. Ultrazvuku s vysokou intenzitou se používá k odlupování grafitu a získání grafenu ve několika vrstvách, často označovaných jako grafenové nanodestičky. Sonikace také vyniká v dosažení vynikající distribuce grafenových nanodestiček v nízko i vysoce viskózních suspenzích.

Zpracování grafenových nanodestiček – Vynikající výsledky se sonikací

Pro zpracování grafenových nanodestiček jsou sonikátory typu sondy nejúčinnějším, nejspolehlivějším a snadno použitelným nástrojem. Vzhledem k tomu, že ultrazvuku lze použít pro syntézu, disperzi a funkcionalizaci grafenových nanodestiček, sonikátory se používají pro řadu aplikací souvisejících s grafenem:

• Exfoliace a syntéza Sonikátory typu sondy se používají k exfoliaci grafitu na vícevrstvé grafenové nebo grafenové nanodestičky. Ultrazvuku s vysokou intenzitou narušuje mezivrstvové síly a rozkládá grafit na menší jednotlivé listy grafenu.
• Disperze: Dosažení rovnoměrné disperze grafenových nanodestiček v kapalném médiu je zásadní pro všechny aplikace související s grafenem. Sonikátory typu sondy mohou rovnoměrně rozptýlit nanodestičky v kapalině, čímž se zabrání aglomeraci a zajistí se stabilní suspenze.
• Funkcionalizace: Sonikace usnadňuje funkcionalizaci grafenových nanodestiček tím, že podporuje připojení funkčních skupin nebo molekul k jejich povrchům. Tato funkcionalizace zvyšuje jejich kompatibilitu se specifickými polymery nebo materiály.

Syntéza grafenových nanodestiček pomocí ultrazvuku

Grafenové nanodestičky lze syntetizovat ultrazvukem asistovanou grafitovou exfoliací. Proto je grafitová suspenze sonikována pomocí ultrazvukového homogenizátoru typu sondy. Tento postup byl testován s velmi nízkými (např. 4 hm% nebo nižšími) až vysokými koncentracemi pevných látek (např. 10 % hmot. nebo vyšší).
 
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.

Získané snímky grafenových nanovrstev z transmisního elektronového mikroskopu s vysokým rozlišením
pomocí ultrazvukem asistované disperze vodné fáze a Hummerovy metody.
(Studie a grafika: Ghanem a Rehim, 2018)

Jaký je rozdíl mezi grafenovými deskami a nanodestičkami?

Grafenové desky a grafenové nanodestičky jsou nanomateriály složené z grafenu, což je jediná vrstva atomů uhlíku uspořádaná do šestiúhelníkové mřížky. Někdy se grafenové desky a grafenové nanodestičky používají jako zaměnitelné pojmy. Z vědeckého hlediska však mezi těmito grafenovými nanomateriály existuje několik rozdílů: Hlavní rozdíl mezi grafenovými deskami a grafenovými nanodestičkami spočívá v jejich struktuře a tloušťce. Grafenové desky se skládají z jedné vrstvy atomů uhlíku a jsou výjimečně tenké, zatímco grafenové nanodestičky jsou silnější a skládají se z více naskládaných vrstev grafenu. Tyto strukturální rozdíly mohou ovlivnit jejich vlastnosti a vhodnost pro konkrétní aplikace. Použití sonikátorů typu sondy je vysoce účinná a účinná technika pro syntézu, dispergaci a funkcionalizaci grafenových jednovrstvých grafenových listů, stejně jako několikavrstvých vrstvených grafenových nanodestiček.

Grafická vizualizace ultrazvukové syntézy grafenových nanodestiček pomocí sonikátoru UP100H
(Studie a grafika: Ghanem a Rehim, 2018)

Disperze grafenových nanodestiček pomocí ultrazvuku

Rovnoměrná disperze grafenových nanodestiček (GNP) je v různých aplikacích klíčová, protože přímo ovlivňuje vlastnosti a výkon výsledných materiálů nebo produktů. Proto jsou instalovány sonikátory pro disperze grafenových nanodestiček v různých průmyslových odvětvích. Následující průmyslová odvětví jsou prominentními příklady použití výkonového ultrazvuku:
 

• Nanokompozity: Grafenové nanodestičky mohou být začleněny do různých nanokompozitních materiálů, jako jsou polymery, aby se zlepšily jejich mechanické, elektrické a tepelné vlastnosti. Sonikátory typu sondy pomáhají rovnoměrně dispergovat nanodestičky v polymerní matrici, což vede ke zlepšení výkonu materiálu.
• Elektrody a baterie: Grafenové nanodestičky se používají při vývoji vysoce výkonných elektrod pro baterie a superkondenzátory. Sonikace pomáhá vytvářet dobře dispergované elektrodové materiály na bázi grafenu se zvětšeným povrchem, což zlepšuje schopnosti skladování energie.
• Katalýza: Sonikace může být použita k přípravě katalytických materiálů na bázi grafenových nanodestiček. Rovnoměrná disperze katalytických nanočástic na povrchu grafenu může zvýšit katalytickou aktivitu při různých reakcích.
• Senzory: Grafenové nanodestičky lze použít při výrobě senzorů pro různé aplikace, včetně snímání plynů, biologického snímání a monitorování životního prostředí. Sonikace zajišťuje homogenní distribuci nanodestiček v materiálech senzoru, což vede ke zlepšení citlivosti a výkonu.
• Nátěry a filmy: Sonikátory typu sondy se používají k přípravě povlaků a filmů na bázi grafenových nanodestiček pro aplikace v elektronice, letectví a kosmonautice a ochranných povlacích. Rovnoměrná disperze a správná přilnavost k podkladům jsou pro tyto aplikace klíčové.
• Biomedicínské aplikace: V biomedicínských aplikacích lze grafenové nanodestičky použít pro dodávání léčiv, zobrazování a tkáňové inženýrství. Sonikace pomáhá při přípravě nanočástic a kompozitů na bázi grafenu používaných v těchto aplikacích.

SEM snímky grafenových nanodestiček při (b) X3000 a (c) X8000
(Studie a obrázky: ©Alizadeh et al., 2018)

Vědecky ověřené výsledky ultrazvukových disperzí grafenových nanodestiček

Vědci použili Hielscher sonikátory pro syntézu a dispergaci grafenových nanodestiček v mnoha studiích a důkladně testovali účinky ultrazvuku. Níže naleznete několik příkladů úspěšného míchání grafenových nanodestiček do různých směsí, jako jsou vodné suspenze, expoy pryskyřice nebo malta.
 
Běžným postupem pro spolehlivou, rychlou a rovnoměrnou disperzi grafenových nanodestiček je následující postup:
Pro disperzi byly grafenové nanodestičky sonikovány v čistém acetonu pomocí ultrazvukového mixéru Hielscher UP400S po dobu téměř jedné hodiny, aby se zabránilo aglomeraci grafenových listů. Aceton byl zcela odstraněn odpařováním. Poté byly grafenové nanodestičky přidány na 1 % hmot. epoxidového systému a byly sonikovány v epoxidové pryskyřici při 90 W po dobu 15 minut.
(srov. Cakir et al., 2016)
 
Další studie zkoumá zesílení nanofluidů na bázi iontových kapalin (ionanotekutin) přidáním grafenových nanodestiček. Pro vynikající disperzi byla směs grafenových nanodestiček, iontové kapaliny a dodecylbenzensulfonátu sodného homogenizována pomocí sonikátoru typu sondy Hielscher UP200S po dobu přibližně 90 minut.
(srov. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) uvádějí efektivní zabudování grafenových nanodestiček do malty. Proto byly vyrobeny vodné grafenové suspenze přidáním nanodestiček – v hmotnostech zapsaných požadovaným cílovým obsahem ve výsledných materiálech – ve směsích běžné vodovodní vody a změkčovadla a následným magnetickým mícháním po dobu 2 minut. Suspenze byly homogenizovány ultrazvukem po dobu 90 minut při pokojové teplotě, pomocí zařízení Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) vybaveného 22mm-sonotrode poskytující výkon propustnosti 4500 J / min při frekvenci 24 kHz. Specifická kombinace rychlosti energie a doby trvání sonikace byla stanovena jako optimální po pečlivém zkoumání účinku parametrů ultrazvuku na kvalitu suspenze.
(srov. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) ve svém výzkumu uvádějí, že správná disperzní technika, jako je sonikace, zajišťuje, že nanomateriály, jako jsou grafenové nanodestičky, mohou zlepšit vlastnosti výplňových materiálů. To je způsobeno skutečností, že disperze je jedním z nejdůležitějších faktorů pro výrobu vysoce kvalitních nanokompozitů, jako je epoxidová spárovací hmota.

Vysoce výkonné sonikátory pro zpracování grafenových nanodestiček

Hielscher Ultrasonics je lídrem na trhu, pokud jde o vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro zpracování nanomateriálů. Hielscher sonda typu sonikátory se používají po celém světě v laboratořích a průmyslových prostředích pro různé aplikace, včetně zpracování grafenových nanodestiček.
Nejmodernější technologie, německé řemeslo a inženýrství, stejně jako dlouholeté technické zkušenosti, činí z Hielscher Ultrasonics vašeho preferovaného partnera pro úspěšnou ultrazvukovou aplikaci.

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: