oxid grafenu – Ultrazvuková exfoliace a disperze
Ultrazvuková exfoliace je široce používaná technika k výrobě oxidu grafenu rozkladem oxidu grafitu na tenké, jednovrstvé nebo několikavrstvé grafenové listy. Hielscherovy sonikátory vytvářejí intenzivní akustickou kavitaci, kde energeticky husté ultrazvukové vlny generují vysokoenergetické mikrobubliny v kapalném médiu. Tyto hroutící se bubliny vytvářejí smykové síly, které oddělují vrstvy oxidu grafitu a účinně je odlupují do nanovrstev oxidu grafenu. Využijte vysoce výkonné ultrazvuky, abyste svou aplikaci založenou na oxidu grafenu posunuli na další úroveň!
Ultrazvuková exfoliace oxidu grafenu
Oxid grafenu je rozpustný ve vodě, amfifilní, netoxický, biologicky odbouratelný a lze jej snadno dispergovat do stabilních koloidů. Ultrazvuková exfoliace a disperze je velmi účinná, rychlá a nákladově efektivní metoda syntézy, dispergace a funkcionalizace oxidu grafenu v průmyslovém měřítku. Při následném zpracování vyrábějí ultrazvukové dispergátory vysoce výkonné kompozity z oxidu grafenu a polymeru.
Výhody ultrazvukové exfoliace
Ultrazvuková exfoliace nabízí několik výhod, včetně jednoduchosti, škálovatelnosti a šetrnosti k životnímu prostředí, protože obvykle nevyžaduje drsné chemikálie nebo složité zpracování. Navíc umožňuje přesnou kontrolu nad velikostí a tloušťkou nanovrstev oxidu grafenu, což je zásadní pro ladění jejich vlastností v různých aplikacích.
Průmyslový sonikátor UIP16000hdT pro exfoliaci oxidu grafenu při vysoké propustnosti
Protokol: Ultrazvuková exfoliace oxidu grafenu
Aby bylo možné kontrolovat velikost nanovrstev oxidu grafenu (GO), hraje klíčovým faktorem metoda exfoliace. Díky svým přesně regulovatelným procesním parametrům je ultrazvuková exfoliace nejpoužívanější delaminační technikou pro výrobu vysoce kvalitního grafenu a oxidu grafenu.
Pro ultrazvukovou exfoliaci oxidu grafenu z oxidu grafitu jsou k dispozici různé protokoly. Níže naleznete příkladný protokol pro ultrazvukovou exfoliaci oxidu grafenu:
Prášek oxidu grafitu se smíchá s vodným KOH s hodnotou pH 10. Pro exfoliaci a následnou disperzi se používá ultrazvukový přístroj typu sondy UP200St (200W). Poté jsou ionty K+ připojeny na bazální rovinu grafenu, aby vyvolaly proces stárnutí. Stárnutí je dosaženo rotačním odpařováním (2 hodiny). Aby se odstranilo nadměrné množství iontů K+, prášek se několikrát promyje a odstředí.
Získaná směs se odstředí a lyofilizuje tak, aby se vysrážil dispergovatelný prášek oxidu grafenu.
Příprava vodivé pasty z oxidu grafenu: Prášek oxidu grafenu může být dispergován v dimethylformamidu (DMF) pod sonikací za účelem vytvoření vodivé pasty. (Han et al.2014)
Mechanismus ultrazvukové exfoliace oxidu grafenu
(Obr.: Potts et al. 2011)
Ultrazvuková funkcionalizace oxidu grafenu
Sonikace se úspěšně používá k začlenění oxidu grafenu (GO) do polymerů a kompozitů.
Příklady:
- kompozit mikrosfér oxidu grafenu a TiO2
- Kompozit z polystyrenu, magnetitu a oxidu grafenu (se strukturou jádro-skořepina)
- Kompozity s redukovaným oxidem grafenu s polystyrenem
- polyanilinový nanovlákenný polystyren/grafenoxid (PANI-PS/GO) kompozitní jádro
- polystyrénový interkalovaný oxid grafenu
- P-fenylendiamin-4vinylbenzen-polystyren modifikovaný oxid grafenu
Ultrasonicator UP400St pro přípravu disperzí grafenových nanodestiček
Aplikace oxidu grafenu produkovaného ultrazvukovou exfoliací
Oxid grafenu vyrobený ultrazvukovou exfoliací má široké uplatnění v různých oblastech. V elektronice se používá ve flexibilních vodivých filmech a senzorech; Při skladování energie zvyšuje výkon baterií a superkondenzátorů. Antibakteriální vlastnosti oxidu grafenu jej činí cenným v biomedicínských aplikacích, zatímco jeho vysoký povrch a funkční skupiny jsou výhodné při katalýze a sanaci životního prostředí. Celkově ultrazvuková exfoliace usnadňuje efektivní výrobu vysoce kvalitního oxidu grafenu pro použití v nejmodernějších technologiích.
Sonikátory pro zpracování grafenu a oxidu grafenu
Hielscher Ultrasonics nabízí vysoce výkonné ultrazvukové systémy pro exfoliaci, dispergaci a zpracování grafenu a oxidu grafenu. Spolehlivé ultrazvukové procesory a sofistikované reaktory poskytují přesné řízení, které umožňuje vyladit ultrazvukové procesy k požadovaným cílům.
Jedním z klíčových parametrů je ultrazvuková amplituda, která určuje vibrační expanzi a kontrakci ultrazvukové sondy. Hielscher průmyslové ultrasonicators dodávají vysoké amplitudy, až 200μm, nepřetržitě běží v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sondy. Všechny procesory lze přesně přizpůsobit procesním podmínkám a monitorovat pomocí vestavěného softwaru, což zajišťuje spolehlivost, konzistentní kvalitu a reprodukovatelné výsledky.
Hielscher sonikátory jsou robustní a mohou nepřetržitě pracovat v náročných prostředích, díky čemuž je sonikace preferovanou výrobní technologií pro přípravu grafenu, oxidu grafenu a grafitického materiálu ve velkém měřítku.
Široká produktová řada ultrasonicators a příslušenství, včetně sonotrod a reaktorů s různými velikostmi a geometriemi, umožňuje výběr optimálních reakčních podmínek a faktorů, jako jsou činidla, ultrazvukový energetický vstup, tlak, teplota a průtok, aby bylo dosaženo nejvyšší kvality. Hielscherovy ultrazvukové reaktory mohou dokonce natlakovat až několik stovek bargů, což umožňuje sonikaci vysoce viskózních past s viskozitami přesahujícími 250 000 centipoise.
Ultrazvuková delaminace a exfoliace díky těmto faktorům vynikají konvenčním technikám.
- vysoký výkon
- Vysoké smykové síly
- Použitelné vysoké tlaky
- Přesné ovládání
- Bezproblémová škálovatelnost (lineární)
- Dávkové a kontinuální
- Reprodukovatelné výsledky
- spolehlivost
- Robustnost
- vysoká energetická účinnost
Ultrazvukový systém pro exfoliaci oxidu grafenu
Chcete-li se dozvědět více o ultrazvukové syntéze, disperzi a funkcionalizaci grafenu, klikněte zde:
- Výroba grafenu
- Grafenové nanodestičky
- Peeling grafenu na vodní bázi
- ve vodě dispergovatelný grafen
- oxid grafenu
- xenes
Fakta, která stojí za to vědět
Ultrazvuk a kavitace: Jak se grafit odlupuje na oxid grafenu pomocí sonikace?
Ultrazvuková exfoliace oxidu grafitu (GrO) je založena na vysoké smykové síle vyvolané akustickou kavitací. Akustická kavitace vzniká v důsledku střídání vysokotlakých / nízkotlakých cyklů, které jsou generovány spojením silných ultrazvukových vln v kapalině. Během nízkotlakých cyklů vznikají velmi malé dutiny nebo vakuové bubliny, které se zvětšují v průběhu střídání nízkotlakých cyklů. Když vakuové bubliny dosáhnou velikosti, kdy nemohou absorbovat více energie, během vysokotlakého cyklu se prudce zhroutí. Imploze bublin má za následek kavitační smykové síly a napěťové vlny, extrémní teploty až 6000 K, extrémní rychlosti ochlazování nad 1010K/s, velmi vysoké tlaky až 2000 atm, extrémní tlakové rozdíly a také trysky kapalin s rychlostí až 1000 km/h (∼280 m/s).
Tyto intenzivní síly ovlivňují grafitové svazky, které jsou delaminovány na jednovrstvý nebo několikavrstvý oxid grafenu a nedotčené grafenové nanovrstvy.
Co je oxid grafenu?
Oxid grafenu (GO) se syntetizuje exfoliací oxidu grafitu (GrO). Zatímco oxid grafitu je 3D materiál skládající se z milionů vrstev grafenových vrstev s interkalovanými kyslíky, oxid grafenu je jednovrstvý nebo několikavrstvý grafen, který je okysličený na obou stranách.
Oxid grafenu a grafen se od sebe liší v následujících charakteristikách: oxid grafenu je polární, zatímco grafen je nepolární. Oxid grafenu je hydrofilní, zatímco grafen je hydrofobní.
To znamená, že oxid grafenu je rozpustný ve vodě, amfifilní, netoxický, biologicky odbouratelný a tvoří stabilní koloidní suspenze. Povrch oxidu grafenu obsahuje epoxidové, hydroxylové a karboxylové skupiny, které jsou k dispozici pro interakci s kationty a anionty. Díky své jedinečné organicko-anorganické hybridní struktuře a výjimečným vlastnostem nabízejí kompozity GO–polymer vysoký potenciál pro rozmanité průmyslové aplikace. (Tolasz et al. 2014)
Co je redukovaný oxid grafenu?
Redukovaný oxid grafenu (rGO) se vyrábí ultrazvukovou, chemickou nebo tepelnou redukcí oxidu grafenu. Během redukčního kroku je odstraněna většina kyslíkových funkcí oxidu grafenu, takže výsledný redukovaný oxid grafenu (rGO) má velmi podobné vlastnosti jako původní grafen. Redukovaný oxid grafenu (rGO) však není bez vad a nedotčený jako čistý grafen.
Literatura/Odkazy
- 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.