Oxid grafenu – ultrazvuková exfoliace a disperze

Ultrazvuková exfoliace je široce používaná technika výroby oxidu grafenu, při níž se oxid grafitu rozkládá na tenké jednovrstvé nebo málovrstvé grafenové listy. Sonikátory Hielscher vytvářejí intenzivní akustickou kavitaci, při níž energeticky husté ultrazvukové vlny generují v kapalném médiu vysokoenergetické mikrobubliny. Tyto kolabující bubliny vytvářejí smykové síly, které oddělují vrstvy oxidu grafitu a účinně je exfoliují na nanolisty oxidu grafenu. Využijte vysoce výkonný ultrazvuk a posuňte svou aplikaci založenou na oxidu grafenu na další úroveň!

Ultrazvuková exfoliace oxidu grafenu

Oxid grafenu je rozpustný ve vodě, amfifilní, netoxický, biologicky odbouratelný a lze jej snadno dispergovat na stabilní koloidy. Ultrazvuková exfoliace a disperze je velmi účinná, rychlá a nákladově efektivní metoda syntézy, dispergace a funkcionalizace oxidu grafenu v průmyslovém měřítku. V navazujícím zpracování vyrábějí ultrazvukové dispergátory vysoce výkonné kompozity oxidu grafenu s polymery.

Výhody ultrazvukové exfoliace

Ultrazvuková exfoliace nabízí několik výhod, mimo jiné jednoduchost, škálovatelnost a šetrnost k životnímu prostředí, protože obvykle nevyžaduje agresivní chemikálie ani složité zpracování. Navíc umožňuje přesnou kontrolu velikosti a tloušťky nanolistů oxidu grafenu, což je zásadní pro ladění jejich vlastností v různých aplikacích.

Video ukazuje ultrazvukové míchání a dispergaci grafitu v 250mL epoxidové pryskyřice (Toolcraft L) pomocí ultrazvukového homogenizátoru (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Společnost Hielscher Ultrasonics vyrábí zařízení pro dispergaci grafitu, grafenu, uhlíkových nanotrubic, nanodrátků nebo plniv v laboratoři i ve velkoobjemových výrobních procesech. Typickým využitím je dispergace nanomateriálů a mikromateriálů během funkcionalizace nebo jejich dispergace do pryskyřic či polymerů.

Protokol: ultrazvuková exfoliace oxidu grafenu

Pro kontrolu velikosti nanolistů oxidu grafenu (GO) je metoda exfoliace klíčovým faktorem. Díky přesně řiditelným procesním parametrům je ultrazvuková exfoliace nejpoužívanější technikou delaminace pro výrobu vysoce kvalitního grafenu a oxidu grafenu.
Pro ultrazvukovou exfoliaci oxidu grafenu z oxidu grafitu jsou k dispozici různé protokoly. Níže naleznete příkladový protokol ultrazvukové exfoliace oxidu grafenu:
Prášek oxidu grafitu se smíchá s vodným roztokem KOH o hodnotě pH 10. K exfoliaci a následné disperzi se použije ultrazvukový přístroj sondového typu UP200St (200W). Poté se ionty K+ navážou na bazální rovinu grafenu, aby se vyvolal proces stárnutí. Stárnutí probíhá za rotačního odpařování (2 h). Za účelem odstranění nadbytečných iontů K+ se prášek několikrát promyje a odstředí.
Získaná směs se odstředí a lyofilizuje, takže se vysráží dispergovatelný prášek oxidu grafenu.
Příprava vodivé pasty z oxidu grafenu: Prášek oxidu grafenu lze za sonikace dispergovat v dimethylformamidu (DMF) a vyrobit tak vodivou pastu. (Han et al.2014)

Ultrazvuková exfoliace se široce používá k výrobě grafenových nanolistů a oxidu grafenu. Ultrazvukové systémy Hielscher přesvědčují jako velmi účinná, nákladově efektivní a rychlá technika syntézy grafenu, která se používá pro velké proudy suspenzí a pro hromadnou výrobu grafenu.
Zdroj obrázku: 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.

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:

mikrosférický kompozit oxid grafenu-TiO2
kompozit polystyren-magnetit-oxid grafenu (se strukturou jádro–obal)
kompozity polystyrenu a redukovaného oxidu grafenu
kompozit typu jádro-obal z polystyrenu/oxidu grafenu potažený polyanilinovými nanovlákny (PANI-PS/GO)
oxid grafenu interkalovaný polystyrenem
oxid grafenu modifikovaný p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene

Aplikace oxidu grafenu vyrobeného ultrazvukovou exfoliací

Oxid grafenu vyrobený ultrazvukovou exfoliací má široké uplatnění v nejrůznějších oborech. V elektronice se používá v ohebných vodivých filmech a senzorech; v oblasti skladování energie zlepšuje výkon baterií a superkondenzátorů. Díky svým antibakteriálním vlastnostem je oxid grafenu cenný v biomedicínských aplikacích, zatímco jeho velký měrný povrch a funkční skupiny jsou výhodné v katalýze a sanaci životního prostředí. Celkově ultrazvuková exfoliace usnadňuje efektivní výrobu vysoce kvalitního oxidu grafenu pro využití ve špičkových technologiích.

Naučte se vyrábět vysoce kvalitní jednovrstvý grafen ultrazvukovou exfoliací pomocí vysoce výkonných sondových sonikátorů. Sonikace je snadná, účinná a škálovatelná metoda výroby grafenových disperzí s vysokými výtěžky a vynikající kvalitou grafenových listů.

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 důmyslné reaktory poskytují přesnou kontrolu a umožňují vyladit ultrazvukové procesy podle požadovaných cílů.
Jedním z klíčových parametrů je ultrazvuková amplituda, která určuje vibrační roztahování a smršťování ultrazvukové sonotrody. Průmyslové ultrazvukové přístroje Hielscher poskytují vysoké amplitudy až 200µm při nepřetržitém provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody. Všechny procesory lze přesně nastavit podle procesních podmínek a monitorovat pomocí vestavěného softwaru, což zajišťuje spolehlivost, konzistentní kvalitu a reprodukovatelné výsledky.
Sonikátory Hielscher jsou robustní a mohou pracovat nepřetržitě v náročných provozních podmínkách, díky čemuž je sonikace preferovanou výrobní technologií pro přípravu grafenu, oxidu grafenu a grafitických materiálů ve velkém měřítku.
Široký sortiment ultrazvukových přístrojů a příslušenství, včetně sonotrod a reaktorů různých velikostí a geometrií, umožňuje zvolit optimální reakční podmínky a faktory, jako jsou reagencie, přívod ultrazvukové energie, tlak, teplota a průtok, a dosáhnout tak nejvyšší kvality. Ultrazvukové reaktory Hielscher lze dokonce natlakovat až na několik set barg, což umožňuje sonikaci vysoce viskózních past s viskozitou přesahující 250 000 centipoise.
Ultrazvuková delaminace a exfoliace díky těmto faktorům předčí konvenční techniky.

Chcete-li se dozvědět více o ultrazvukové syntéze, disperzi a funkcionalizaci grafenu, klikněte prosím zde:

Fakta, která stojí za to znát

Ultrazvuk a kavitace: Jak se grafit exfoliuje na oxid grafenu pomocí sonikace?

Ultrazvuková exfoliace oxidu grafitu (GrO) je založena na vysoké smykové síle vyvolané akustickou kavitací. Akustická kavitace vzniká v důsledku střídajících se cyklů vysokého tlaku / nízkého tlaku, které jsou generovány přenosem výkonných ultrazvukových vln do kapaliny. Během cyklů nízkého tlaku vznikají velmi malé dutiny neboli vakuové bubliny, které v průběhu střídajících se cyklů nízkého tlaku rostou. Když vakuové bubliny dosáhnou velikosti, při níž již nemohou absorbovat další energii, během cyklu vysokého tlaku prudce zkolabují. Implozí bublin vznikají kavitační smykové síly a napěťové vlny, extrémní teploty až 6000K, extrémní rychlosti ochlazování nad 10¹⁰K/s, velmi vysoké tlaky až 2000atm, extrémní tlakové rozdíly a také proudy kapaliny o rychlosti až 1000km/h (∼280m/s).
Tyto intenzivní síly působí na stohy grafitu, které se delaminují na jednovrstvé nebo málovrstvé nanolisty oxidu grafenu a nedotčeného grafenu.

Co je oxid grafenu?

Oxid grafenu (GO) se syntetizuje exfoliací oxidu grafitu (GrO). Zatímco oxid grafitu je 3D materiál složený z milionů grafenových vrstev s interkalovaným kyslíkem, oxid grafenu je jednovrstvý nebo málovrstvý grafen, který je oxidován z obou stran.
Oxid grafenu a grafen se od sebe liší následujícími vlastnostmi: 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 mohou interagovat 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 kyslíkatých funkčních skupin oxidu grafenu, takže výsledný redukovaný oxid grafenu (rGO) má vlastnosti velmi podobné nedotčenému grafenu. Redukovaný oxid grafenu (rGO) však není tak bezdefektní a nedotčený jako čistý 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.