Grafen nanoplader syntetiseret og dispergeret via sonde-sonikering

Grafen nanoplader (GNP'er) kan syntetiseres og dispergeres med høj effektivitet og pålidelighed ved hjælp af sonikere. Ultralydbehandling med høj intensitet anvendes til at eksfoliere grafit og opnå fålags grafen, ofte omtalt som grafen nanoblodplader. Sonikering udmærker sig også ved at opnå fremragende grafen-nanopladefordeling i både lave og meget viskøse suspensioner.

Behandling af grafen nanoblodplader – Overlegne resultater med sonikering

Til behandling af grafen nanoblodplader er sonde-type sonde-sonikere mest effektive, pålidelige og brugervenlige værktøjer. Da ultralydbehandling kan anvendes til syntese, dispersion og funktionalisering af grafen-nanoplader, anvendes sonikere til adskillige grafen-relaterede applikationer:

• Eksfoliering og syntese Sonde-type sonikere bruges til at eksfoliere grafit i få-lags grafen eller grafen nanoplader. Ultralydbehandlingen med høj intensitet forstyrrer mellemlagskræfterne og nedbryder grafitten i mindre, individuelle grafenplader.
• Dispersion: At opnå ensartet spredning af grafen-nanoplader i et flydende medium er afgørende for alle grafen-relaterede applikationer. Sonde-type sonikere kan sprede nanoblodpladerne jævnt i væsken, forhindre agglomerering og sikre en stabil suspension.
• Funktionalisering: Sonikering letter funktionaliseringen af grafen-nanoplader ved at fremme fastgørelsen af funktionelle grupper eller molekyler til deres overflader. Denne funktionalisering forbedrer deres kompatibilitet med specifikke polymerer eller materialer.

Grafen nanoblodpladesyntese via sonikering

Grafen nanoblodplader kan syntetiseres ved ultralydassisteret grafiteksfoliering. Derfor sonikeres en grafitsuspension ved hjælp af en sonde-type ultralydshomogenisator. Denne procedure er blevet testet med meget lave (f.eks. 4 vægtprocent eller lavere) til høje faste (f.eks. 10 vægtprocent eller højere) koncentrationer.
 
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.

Transmissionselektronmikroskopbilleder i høj opløsning af grafen-nanoark opnået
via ultralydsassisteret vandig fasedispersion og Hummer-metoden.
(Studie og grafik: Ghanem og Rehim, 2018)

Hvad er forskellen mellem grafenplader og nanoblodplader?

Grafenplader og grafen-nanoplader er begge nanomaterialer sammensat af grafen, som er et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et sekskantet gitter. Nogle gange bruges grafenplader og grafen-nanoplader som udskiftelige udtryk. Men videnskabeligt er der et par forskelle mellem disse grafen-nanomaterialer: Den primære forskel mellem grafenplader og grafen-nanoplader ligger i deres struktur og tykkelse. Grafenplader består af et enkelt lag kulstofatomer og er usædvanligt tynde, mens grafennanoplader er tykkere og sammensat af flere stablede grafenlag. Disse strukturelle forskelle kan påvirke deres egenskaber og egnethed til specifikke anvendelser. Brugen af sonde-type sondeapparater er en yderst effektiv og effektiv teknik til at syntetisere, sprede og funktionalisere grafen-enkeltlags grafenplader samt få-lags stablede grafen-nanoplader.

Grafik, der visualiserer ultralydssyntesen af grafen-nanoplader ved hjælp af sonicator UP100H
(Studie og grafik: Ghanem og Rehim, 2018)

Dispersion af grafen nanoblodplader ved hjælp af sonikering

Den ensartede spredning af grafen-nanoplader (GNP'er) er afgørende i forskellige applikationer, fordi det direkte påvirker egenskaberne og ydeevnen af de resulterende materialer eller produkter. Derfor er sonikere installeret til grafen nanoplade dispersioner i forskellige industrier. Følgende industrier er fremtrædende eksempler på brugen af power-ultralyd:
 

• Nano-kompositter: Grafen-nanoplader kan inkorporeres i forskellige nanokompositmaterialer, såsom polymerer, for at forbedre deres mekaniske, elektriske og termiske egenskaber. Sonde-type sonikere hjælper med ensartet at sprede nanopladerne i polymermatrixen, hvilket resulterer i forbedret materialeydelse.
• Elektroder og batterier: Grafen-nanoplader bruges til udvikling af højtydende elektroder til batterier og superkondensatorer. Sonikering hjælper med at skabe godt dispergerede grafenbaserede elektrodematerialer med øget overfladeareal, hvilket forbedrer energilagringskapaciteten.
• Katalyse: Sonikering kan bruges til at fremstille katalytiske materialer baseret på grafen-nanoblodplader. Den ensartede spredning af katalytiske nanopartikler på grafenoverfladen kan øge katalytisk aktivitet i forskellige reaktioner.
• Sensorer: Grafen nanoplader kan anvendes til fremstilling af sensorer til forskellige applikationer, herunder gassensor, biosensing og miljøovervågning. Sonikering sikrer homogen fordeling af nanopladerne i sensormaterialer, hvilket fører til forbedret følsomhed og ydeevne.
• Belægninger og film: Sonde-type sonikere bruges til at fremstille grafen nanoplade-baserede belægninger og film til applikationer inden for elektronik, rumfart og beskyttende belægninger. Ensartet dispersion og korrekt vedhæftning til substrater er afgørende for disse applikationer.
• Biomedicinske applikationer: I biomedicinske applikationer kan grafen-nanoblodplader bruges til lægemiddellevering, billeddannelse og vævsteknik. Sonikering hjælper med fremstilling af grafenbaserede nanopartikler og kompositter, der anvendes i disse applikationer.

SEM-billeder af grafen-nanoplader ved (b) X3000 og (c) X8000
(Undersøgelse og billeder: ©Alizadeh et al., 2018)

Videnskabeligt dokumenterede resultater for ultralyd grafen nanoplade dispersioner

Forskere har brugt Hielscher sonicators til syntese og spredning af grafen nanoplader i adskillige undersøgelser og testet virkningerne af ultralydbehandling kraftigt. Nedenfor kan du finde et par eksempler på vellykket blanding af grafen-nanoblodplader i forskellige blandinger såsom vandige opslæmninger, ekspoyharpikser eller mørtel.
 
En almindelig procedure for pålidelig, hurtig og ensartet spredning af grafen-nanoplader er følgende procedure:
Til dispersion blev grafen-nanopladerne sonikeret i ren acetone ved hjælp af Hielscher ultralydsblander UP400S i næsten en time for at forhindre en agglomerering af grafenplader. Acetone blev fjernet fuldstændigt ved fordampning. Derefter blev grafen-nanopladerne tilsat ved 1 vægt% af epoxysystemet og blev sonikeret i epoxyharpiksen ved 90W i 15 minutter.
(jf. Cakir et al., 2016)
 
En anden undersøgelse undersøger forstærkningen af ioniske væskebaserede nanovæsker (ionanofluider) ved at tilføje grafen-nanoblodplader. For overlegen dispersion blev blandingen af grafen-nanoplader, ionisk væske og natriumdodecylbenzensulfonat homogeniseret ved hjælp af Hielscher-sonde-type sonicator UP200S i ca. 90 minutter.
(jf. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) rapporterer den effektive inkorporering af grafen-nanoplader i mørtel. Derfor blev vandige grafensuspensioner fremstillet ved tilsætning af nanoblodplader – med vægte indskrevet af det ønskelige målindhold i de resulterende materialer – i blandinger af almindeligt postevand og blødgøringsmiddel og efterfølgende magnetisk omrøring i 2 minutter. Suspensionerne blev homogeniseret ved ultralydbehandling i 90 minutter ved stuetemperatur ved hjælp af en Hielscher UP400S-enhed (Hielscher Ultrasonics GmbH) udstyret med en 22 mm-sonotrode, der leverer en effektgennemstrømning på 4500 J / min ved en frekvens på 24 kHz. Den specifikke kombination af energihastighed og sonikeringsvarighed blev etableret som optimal efter en omhyggelig undersøgelse af virkningen af ultralydsparametre for suspensionskvalitet.
(jf. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) siger i deres forskning, at en korrekt dispersionsteknik såsom sonikering sikrer, at nanomaterialer såsom grafen-nanoplatetelets kan forbedre egenskaberne af udfyldningsmaterialer. Dette skyldes, at dispersion er en af de vigtigste faktorer for produktionen af nanokompositter af høj kvalitet såsom epoxyfugemasse.

Højtydende sonikere til behandling af grafen nanoblodplader

Hielscher Ultrasonics er markedsleder, når det kommer til højtydende ultralydapparater til behandling af nanomaterialer. Hielscher-sonde-type sonde-sonikere bruges over hele verden i laboratorier og industrielle omgivelser til forskellige applikationer, herunder behandling af grafen-nanoplader.
Topmoderne teknologi, tysk håndværk og teknik samt lang tids teknisk erfaring gør Hielscher Ultrasonics til din foretrukne partner til vellykket ultralydsapplikation.

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: