grafenoxid – Ultralydseksfoliering og dispersion
Ultralydseksfoliering er en meget brugt teknik til at producere grafenoxid ved at nedbryde grafitoxid i tynde, enkelt- eller fålags grafenplader. Hielscher sonikerapparater skaber intens akustisk kavitation, hvor energitætte ultralydsbølger genererer højenergimikrobobler i et flydende medium. Disse kollapsende bobler skaber forskydningskræfter, der adskiller grafitoxidlag og effektivt eksfolierer dem til grafenoxid nanoark. Udnyt højtydende ultralyd for at bringe din grafenoxidbaserede applikation til næste niveau!
Ultralydseksfoliering af grafenoxid
Grafenoxid er vandopløseligt, amfifilt, ikke-giftigt, biologisk nedbrydeligt og kan let dispergeres i stabile kolloider. Ultralydseksfoliering og dispersion er en meget effektiv, hurtig og omkostningseffektiv metode til at syntetisere, sprede og funktionalisere grafenoxid i industriel skala. I downstream-behandling producerer ultralydsdispergeringsmidler højtydende grafenoxid-polymerkompositter.
Fordele ved ultralydseksfoliering
Ultralydseksfoliering giver flere fordele, herunder enkelhed, skalerbarhed og miljøvenlighed, da det typisk ikke kræver skrappe kemikalier eller kompleks behandling. Derudover muliggør det præcis kontrol over størrelsen og tykkelsen af grafenoxid nanoark, hvilket er afgørende for at justere deres egenskaber i forskellige applikationer.
Industriel soniker UIP16000hdT til eksfoliering af grafenoxid ved høj kapacitet
Protokol: Ultralydseksfoliering af grafenoxid
For at kontrollere størrelsen af grafenoxid (GO) nanoark spiller eksfolieringsmetoden en nøglefaktor. På grund af dets præcist kontrollerbare procesparametre er ultralydseksfoliering den mest udbredte delamineringsteknik til produktion af grafen og grafenoxid af høj kvalitet.
Til ultralydseksfoliering af grafenoxid fra grafitoxid er forskellige protokoller tilgængelige. Find en eksemplarisk protokol til ultralydseksfoliering af grafenoxid nedenfor:
Grafitoxidpulver blandes i vandig KOH med pH-værdien 10. Til eksfoliering og efterfølgende dispersion anvendes sonde-type ultralydsapparat UP200St (200W). Bagefter bindes K+-ioner til grafenbasalplanet for at inducere en ældningsproces. Ældningen opnås under roterende fordampning (2 timer). For at fjerne for store K+-ioner vaskes og centrifugeres pulveret flere gange.
Den fremkomne blanding centrifugeres og frysetørres, således at et dispergerbart grafenoxidpulver udfældes.
Fremstilling af en ledende grafenoxidpasta: Grafenoxidpulveret kan dispergeres i dimethylformamid (DMF) under sonikering for at producere en ledende pasta. (Han et al.2014)
Mekanismen for ultralydsgrafenoxid eksfoliering
(Billede: Potts et al. 2011)
Ultralydfunktionalisering af grafenoxid
Sonikering bruges med succes til at inkorporere grafenoxid (GO) i polymerer og kompositter.
Eksempler:
- grafenoxid-TiO2 mikrosfære komposit
- polystyren-magnetit-grafenoxid komposit (kerne-skal struktureret)
- Polystyrenreducerede grafenoxidkompositter
- polyanilin nanofiberbelagt polystyren/grafenoxid (PANI-PS/GO) kerneskalkomposit
- polystyren-interkaleret grafenoxid
- p-phenylendiamin-4vinylbenzen-polystyrenmodificeret grafenoxid
Ultralydsapparat UP400St til fremstilling af grafen-nanotrombocytdispersioner
Anvendelser af grafenoxid produceret ved ultralydseksfoliering
Graphene oxide produced via ultrasonic exfoliation has broad applications across diverse fields. In electronics, it is used in flexible conductive films and sensors; in energy storage, it enhances the performance of batteries and supercapacitors. Graphene oxide’s antibacterial properties make it valuable in biomedical applications, while its high surface area and functional groups are advantageous in catalysis and environmental remediation. Overall, ultrasonic exfoliation facilitates the efficient production of high-quality graphene oxide for use in cutting-edge technologies.
Sonikere til behandling af grafen og grafenoxid
Hielscher Ultrasonics tilbyder ultralydssystemer med høj effekt til eksfoliering, dispergering og behandling af grafen og grafenoxid. Pålidelige ultralydsprocessorer og sofistikerede reaktorer leverer præcis kontrol, hvilket gør det muligt at justere ultralydsprocesser til de ønskede mål.
En afgørende parameter er ultralydsamplituden, som bestemmer ultralydssondens vibrationsudvidelse og sammentrækning. Hielscher industrielle ultralydapparater leverer høje amplituder, op til 200 μm, kontinuerligt køres i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonder tilgængelige. Alle processorer kan justeres præcist til procesforholdene og overvåges via indbygget software, hvilket sikrer pålidelighed, ensartet kvalitet og reproducerbare resultater.
Hielscher sonikere er robuste og kan fungere kontinuerligt i tunge miljøer, hvilket gør sonikering til den foretrukne produktionsteknologi til storskala grafen, grafenoxid og grafitisk materialeforberedelse.
A wide product range of ultrasonicators and accessories, including sonotrodes and reactors with various sizes and geometries, allows the selection of optimal reaction conditions and factors, such as reagents, ultrasonic energy input, pressure, temperature, and flow rate, to achieve the highest quality. Hielscher’s ultrasonic reactors can even pressurize up to several hundred barg, enabling the sonication of highly viscous pastes with viscosities exceeding 250,000 centipoise.
Ultralydsdelaminering og eksfoliering udmærker konventionelle teknikker på grund af disse faktorer.
- høj effekt
- høje forskydningskræfter
- Højt tryk gældende
- Præcis kontrol
- Problemfri skalerbarhed (lineær)
- batch og kontinuerlig
- reproducerbare resultater
- pålidelighed
- Robusthed
- høj energieffektivitet
Ultralydssystem til eksfoliering af grafenoxid
For at lære mere om ultralydsgrafensyntese, dispersion og funktionalisering, klik venligst her:
- Produktion af grafen
- Grafen nanoblodplader
- Vandbaseret grafen eksfoliering
- Vanddispergerbar grafen
- grafenoxid
- Xener
Fakta, der er værd at vide
Ultralyd og kavitation: Hvordan eksfolieres grafit til grafenoxid ved hjælp af sonikering?
Ultralydseksfoliering af grafitoxid (GrO) er baseret på den høje forskydningskraft induceret af akustisk kavitation. Akustisk kavitation opstår på grund af de vekslende højtryks-? lavtrykscyklusser, som genereres ved kobling af kraftige ultralydsbølger i en væske. Under lavtrykscyklusserne opstår der meget små hulrum eller vakuumbobler, som vokser over de vekslende lavtrykscyklusser. Når vakuumboblerne opnår en størrelse, hvor de ikke kan absorbere mere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Bobleimplosionen resulterer i kavitationelle forskydningskræfter og spændingsbølger, ekstrem temperatur på op til 6000K, ekstreme kølehastigheder over 1010K/s, meget høje tryk på op til 2000atm, ekstreme trykforskelle samt væskestråler med op til 1000 km/t (∼280m/s).
Disse intense kræfter påvirker grafitstakkene, som delamineres til enkelt- eller fålags grafenoxid og uberørte grafennanoark.
Hvad er grafenoxid?
Grafenoxid (GO) syntetiseres ved eksfoliering af grafitoxid (GrO). Mens grafitoxid er et 3D-materiale, der består af millioner af lag af grafenlag med interkalerede ilter, er grafenoxid en mono- eller fålags grafen, der er iltet på begge sider.
Grafenoxid og grafen adskiller sig fra hinanden i følgende egenskaber: grafenoxid er polær, mens grafen er upolær. Grafenoxid er hydrofilt, mens grafen er hydrofobt.
Det betyder, at grafenoxid er vandopløseligt, amfifilt, ikke-giftigt, biologisk nedbrydeligt og danner stabile kolloide suspensioner. Overfladen af grafenoxid indeholder epoxy-, hydroxyl- og carboxylgrupper, som er tilgængelige til at interagere med kationer og anioner. På grund af deres unikke organisk-uorganiske hybridstruktur og exceptionelle egenskaber tilbyder GO-polymerkompositter et stort potentiale for mangfoldige industrielle applikationer. (Tolasz et al. 2014)
Hvad er reduceret grafenoxid?
Reduceret grafenoxid (rGO) fremstilles ved ultralyd, kemisk eller termisk reduktion af grafenoxid. Under reduktionstrinnet fjernes de fleste iltfunktioner af grafenoxid, så det resulterende reducerede grafenoxid (rGO) har meget lignende egenskaber som uberørt grafen. Reduceret grafenoxid (rGO) er dog ikke fejlfrit og uberørt som ren grafen.
Litteratur/Referencer
- 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.