Ultrazvuková exfoliace ve vodě dispergovatelného grafenu

• Jednovrstvé a dvouvrstvé grafenové nanovrstvy lze rychle vyrábět ultrazvukovou exfoliací s vysokou kapacitou zpracování a s nízkými náklady.
• Ultrazvukově exfoliovaný grafen lze funkcionalizovat biopolymery, a získat tak ve vodě dispergovatelný grafen.
• Pomocí ultrazvukové kavitace lze syntetizovaný grafen dále zpracovat na stabilní disperzi na vodní bázi.

Ultrazvuková exfoliace vysoce kvalitního grafenu

Sonikace je spolehlivá metoda výroby grafenových vrstev (jednovrstvého, dvouvrstvého a několikavrstvého grafenu) z grafitových vloček nebo částic. Zatímco jiné běžné exfoliační techniky, jako jsou kulové a válcové mlýny nebo vysokosmykové míchače, jsou spojeny s nízkou kvalitou a s použitím agresivních činidel a rozpouštědel, metoda ultrazvukové exfoliace přesvědčuje vysokou kvalitou produktu, vysokou procesní kapacitou a šetrnými podmínkami zpracování.
Ultrazvuková kavitace vytváří intenzivní smykové síly, které rozdělují naskládané vrstvy grafitu na jedno-, dvou- a několikavrstvý bezdefektní grafen.

Ve vodě dispergovatelné grafenové vrstvy pomocí sonikace

Sonikace je účinný postup s opakovatelnými výsledky pro rozplétání uhlíkových nanotrubic ve vodě nebo v organických rozpouštědlech.[/caption]Za normálních podmínek je grafen ve vodě jen obtížně dispergovatelný a při dispergaci ve vodném prostředí tvoří agregáty a aglomeráty. Jelikož vodné 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 i pro navazující průmysl.
Aby se získaly ve vodě dispergovatelné grafenové nanovrstvy, modifikuje se ultrazvukově exfoliovaný grafen polysacharidy / biopolymery, jako je pullulan, chitosan, alginát, želatina nebo arabská guma.

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 wt% kyseliny octové. Grafitový prášek byl dispergován ve vodných roztocích biopolymerů a ošetřen sondovým sonikátorem UP200S (maximální výkon 200 W, frekvence 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Německo) vybaveným titanovou sonotrodou (mikrohrot S3, průměr hrotu 3 mm, maximální amplituda 210µm, akustická hustota výkonu neboli povrchová intenzita 460 W cm-2) za následujících podmínek: 0,5 cyklu a 50% amplituda, po dobu 10, 20, 30, resp. 60 min. Nejlepších výsledků bylo dosaženo při 30min sonikaci. Sonikace probíhala při výkonu 16,25 W po dobu 30 minut se spotřebou energie (energetický výstup na jednotku objemu) 731 Ws ml-1.
Následně byly směsi centrifugovány při 1500 rpm po dobu 60 min, aby se odstranily neexfoliované částice grafitu, poté 5krát promyty a znovu centrifugovány při 5000 rpm po dobu 20 min k odstranění přebytečných biopolymerů. Výsledné tmavošedé roztoky byly vakuově sušeny při 40ºC, dokud nedocházelo k žádnému úbytku hmotnosti. Výsledné polymer–grafenové prášky byly pro charakterizaci znovu dispergovány ve vodě (1 mg ml-1 pro pullulan a chitosan; 0,18 mg ml-1 pro alginát). Grafenové vrstvy získané sonikací za asistence pullulanu, alginátu a chitosanu byly označeny jako pull-G, alg-G, resp. chit-G.
Ze tří systémů byly pullulan a chitosan při exfoliaci grafitu účinnější než alginát. Tato metoda poskytla exfoliované jedno-, dvou- a několikavrstvé grafenové vrstvy pouze s nízkými laterálními (okrajovými) defekty. Adsorpce biopolymerů na povrch grafenu zajišťuje dlouhodobou stabilitu (více než 6 měsíců) vodné disperze.
(srov. Unalan et al. 2015)

Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) znázorňující sonomechanickou exfoliaci grafitové vločky ve vodě pomocí UP200S, 200W sonikátoru se sonotrodou 3 mm. Šipky ukazují místo rozštěpení (exfoliace), kde do trhliny pronikají kavitační bubliny.
(studie a snímky: © Tyurnina et al. 2020

Sonikátory pro exfoliaci grafenu

Vysoce výkonné ultrazvukové procesory Hielscher se celosvětově používají k úspěšné exfoliaci a dispergaci grafitu a grafenu. Naše ultrazvukové dispergátory jsou k dispozici od laboratorních a stolních zařízení až po plně průmyslové výrobní jednotky. Kromě robustnosti, provozu 24/7 a nízké údržby přesvědčují sonikátory Hielscher vysokou snadností zpracování a lineární škálovatelností.
Procesy lze snadno otestovat a optimalizovat v laboratoři. Poté lze všechny výsledky procesu zcela lineárně převést do komerčního výrobního měřítka. Díky tomu je sonikace účinnou a efektivní výrobní metodou pro velké objemy vysoce kvalitních grafenových vrstev.
Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno nepřetržitě provozovat v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody. Odpovídající ultrazvukové reaktory zajišťují schopnost spolehlivé a bezpečné hromadné výroby vysoce kvalitních grafenových nanovrstev i stabilních disperzí nanovrstev.

Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích.
Níže uvedená tabulka Vám poskytne orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů: