Ultrazvuková exfoliace grafenu dispergovatelného ve vodě
- Jednovrstvé a dvouvrstvé grafenové nanovrstvy lze rychle vyrábět ultrazvukovou exfoliací s vysokou propustností a nízkými náklady.
- Ultrazvukem exfoliovaný grafen může být funkcionalizován biopolymery, aby se získal grafen dispergovatelný ve vodě.
- Ultrazvukovou kavitací lze syntetizovaný grafen dále zpracovávat na stabilní disperzi na vodní bázi.
Ultrazvuková exfoliace vysoce kvalitního grafenu
Ultrazvuku je spolehlivá metoda výroby grafenových vrstev (mono-, dvou- a vícevrstvý grafen) z grafitových vloček nebo částic. Zatímco jiné běžné exfoliační techniky, jako jsou kulové a válcové mlýny nebo mixéry s vysokým smykem, jsou spojeny s nízkou kvalitou a použitím agresivních činidel a rozpouštědel, metoda ultrazvukové exfoliace přesvědčí svým vysoce kvalitním výstupem, vysokou kapacitou procesu a mírnými podmínkami zpracování.
Ultrazvuková kavitace vytváří intenzivní smykové síly, které rozdělují naskládané grafitové vrstvy na mono-, dvou- a málo vrstev bezdefektního grafenu.
Grafenové desky dispergovatelné ve vodě pomocí ultrazvuku
Ultrazvuku je účinný postup s opakovatelnými výsledky k rozmotání uhlíkových nanotrubic ve vodě nebo organických rozpouštědlech. [/titulek] Za normálních podmínek je grafen těžko dispergovatelný ve vodě a při dispergaci ve vodném prostředí tvoří agregáty a aglomeráty. Vzhledem k tomu, že vodní systémy mají významné výhody v tom, že jsou levné, netoxické a šetrné k životnímu prostředí, jsou grafenové systémy na vodní bázi velmi atraktivní pro výrobce grafenu a navazující průmysl.
Aby se získaly ve vodě dispergovatelné grafenové nanovrstvy, je ultrazvukem exfoliovaný grafen modifikován polysacharidy / biopolymery, jako je pullulan, chitosan, alginát, želatina nebo arabská guma.
- Vysoce kvalitní grafen
- vysoký výnos
- disperze na vodní bázi
- vysoká koncentrace
- Vysoká efektivita
- Rychlý proces
- Nízké náklady
- Vysoká propustnost
- Šetrný k životnímu prostředí
Protokol přímé exfoliace grafitu pomocí ultrazvuku
Neiontový pullulan a aniontový alginát (1,0 g) byly odděleně rozpuštěny ve 20 ml destilované vody, zatímco kationtový chitosan (0,4 g) byl rozpuštěn ve 20 ml destilované vody s 1 hmotnostním % kyseliny octové. Grafitový prášek byl dispergován ve vodných roztocích biopolymeru a zpracován pomocí ultrazvukového zesilovače typu sondy UP200S (maximální výkon 200 W, frekvence 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Německo) vybaveného titanovou sonotrodou (mikro hrot S3, průměr hrotu 3 mm, maximální amplituda 210 μm, hustota akustického výkonu nebo intenzita povrchu 460 W cm-2) za následujících podmínek: 0,5 cyklu a 50% amplituda, po dobu 10, 20, 30 a 60 minut. Nejlepších výsledků bylo dosaženo při 30minutové sonikaci. Sonikace byla aplikována při výkonu 16,25 W po dobu 30 minut, se spotřebou energie (energetický výstup na jednotku objemu) 731 Ws ml-1.
Následně byly směsi odstředěny při 1500 otáčkách za minutu po dobu 60 minut, aby se odstranily neodlupované částice grafitu, a poté byly 5krát promyty a znovu odstředěny při 5000 ot./min po dobu 20 minut, aby se odstranily přebytečné biopolymery. Výsledné tmavě šedé roztoky byly vakuově sušeny při teplotě 40 °C, dokud nedošlo ke ztrátě hmoty. Výsledné polymerně-grafenové prášky byly redispergovány ve vodě (1 mg ml-1 pro pullulan a chitosan; 0,18 mg ml-1 pro alginát) pro charakterizaci. Grafenové listy získané ultrazvukovou ultrazvukovou technologií s pomocí pullulanu, alginátu a chitosanu byly indikovány jako pull-G, alg-G a chit-G.
Ze všech tří systémů byly pullulan a chitosan účinnější při exfoliaci grafitu než alginát. Tato metoda poskytla exfoliované mono-, bi- a vícevrstvé grafenové desky pouze s nízkými bočními (hranami) defekty. Adsorpce biopolymerů na povrchu grafenu zajišťuje dlouhodobou stabilitu (více než 6 měsíců) vodné disperze.
(srov. Unalan et al. 2015)

Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) ilustrující sonomechanickou exfoliaci grafitových vloček ve vodě pomocí UP200S, 200W ultrasonikátoru s 3mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení (exfoliace) s kavitačními bublinami pronikajícími do štěrbiny.
(studie a obrázky: © Tyurnina et al. 2020
Ultrasonicators pro exfoliaci grafenu
Hielscher vysoce výkonné ultrazvukové procesory se používají po celém světě pro úspěšnou exfoliaci a disperzi grafitu a grafenu. Naše ultrazvukové dispergátory jsou k dispozici od laboratorních a stolních až po plně průmyslové výrobní jednotky. Kromě robustnosti, provozu 24/7 a nízké údržby, Hielscher ultrasonicators přesvědčí vysokou snadností zpracování a lineární škálovatelností.
Procesy lze snadno testovat a optimalizovat v laboratoři. Poté mohou být všechny výsledky procesu škálovány zcela lineárně na úroveň komerční výroby. Díky tomu je sonikace účinnou a efektivní výrobní metodou pro velké objemy vysoce kvalitních grafenových listů.
Hielscher Ultrazvukové průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Odpovídající ultrazvukové reaktory zajišťují schopnost spolehlivé a bezpečné hromadné výroby vysoce kvalitních grafenových nanovrstev a také stabilních disperzí nanovrstev.
Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
---|---|---|
10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000 |
Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Fakta, která stojí za to vědět
grafen
Grafen je monovrstva sp2-vázané atomy uhlíku. Grafen nabízí jedinečné materiálové vlastnosti, jako je mimořádně velký specifický povrch (2620 m2g-1), vynikající mechanické vlastnosti s Youngovým modulem 1 TPa a vlastní pevností 130 GPa, extrémně vysoká elektronická vodivost (pohyblivost elektronů při pokojové teplotě 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), velmi vysoká tepelná vodivost (nad 3000 W m K-1), abyste pojmenovali nejdůležitější vlastnosti. Díky svým vynikajícím materiálovým vlastnostem je grafen hojně využíván při vývoji a výrobě vysoce výkonných baterií, palivových článků, solárních článků, superkondenzátorů, vodíkových skladů, elektromagnetických štítů a elektronických zařízení. Kromě toho je grafen začleněn do mnoha nanokompozitů a kompozitních materiálů jako výztužná přísada, např. v polymerech, keramice a kovových matricích. Díky své vysoké vodivosti je grafen důležitou složkou vodivých barev a inkoustů.
Rychlý a bezpečný Ultrazvuková příprava bezvadného grafenu Při velkých objemech při nízkých nákladech umožňuje rozšiřování aplikací grafenu do stále více průmyslových odvětví.
Literatura/Odkazy
- 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 vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.