Grafenoxid – eksfoliering og dispergering med ultralyd

Eksfoliering med ultralyd er en udbredt teknik til fremstilling af grafenoxid ved at nedbryde grafitoxid til tynde grafenflager med et enkelt eller få lag. Sonikatorer fra Hielscher skaber intens akustisk kavitation, hvor energitætte ultralydsbølger genererer energirige mikrobobler i et flydende medium. Disse kollapsende bobler skaber forskydningskræfter, som adskiller grafitoxidlagene og effektivt eksfolierer dem til nanoflager af grafenoxid. Udnyt højtydende ultralydsteknologi til at løfte din grafenoxidbaserede anvendelse til næste niveau!

Eksfoliering af grafenoxid med ultralyd

Grafenoxid er vandopløseligt, amfifilt, ugiftigt og biologisk nedbrydeligt og kan let dispergeres til stabile kolloider. Eksfoliering og dispergering med ultralyd er en meget effektiv, hurtig og omkostningseffektiv metode til at syntetisere, dispergere og funktionalisere grafenoxid i industriel skala. I den efterfølgende forarbejdning fremstiller ultralydsdispergatorer højtydende grafenoxid-polymerkompositter.

Fordele ved eksfoliering med ultralyd

Eksfoliering med ultralyd giver flere fordele, herunder enkelhed, skalerbarhed og miljøvenlighed, da den typisk ikke kræver aggressive kemikalier eller kompleks forarbejdning. Desuden muliggør den præcis kontrol over størrelsen og tykkelsen af grafenoxidnanoflager, hvilket er afgørende for at tilpasse deres egenskaber til forskellige anvendelser.

Protokol: Eksfoliering af grafenoxid med ultralyd

Eksfolieringsmetoden spiller en afgørende rolle for kontrollen af størrelsen af grafenoxidnanoflager (GO). Takket være de præcist styrbare procesparametre er eksfoliering med ultralyd den mest udbredte delamineringsteknik til fremstilling af grafen og grafenoxid af høj kvalitet.
Der findes forskellige protokoller til eksfoliering af grafenoxid fra grafitoxid med ultralyd. Nedenfor finder du et eksempel på en protokol til eksfoliering af grafenoxid med ultralyd:
Grafitoxidpulver blandes i en vandig KOH-opløsning med pH-værdien 10. Til eksfolieringen og den efterfølgende dispergering anvendes ultralydsapparatet UP200St (200W) med sonde. Derefter bindes K+-ioner til grafenets basalplan for at fremkalde en ældningsproces. Ældningen opnås ved rotationsinddampning (2 h). For at fjerne overskydende K+-ioner vaskes og centrifugeres pulveret flere gange.
Den opnåede blanding centrifugeres og frysetørres, så et dispergerbart grafenoxidpulver udfældes.
Fremstilling af en elektrisk ledende grafenoxidpasta: Grafenoxidpulveret kan dispergeres i dimethylformamid (DMF) under sonikering for at fremstille en elektrisk ledende pasta. (Han et al.2014)

Mekanismen bag eksfoliering af grafenoxid med ultralyd
(Billede: Potts et al. 2011)

Funktionalisering af grafenoxid med ultralyd

Sonikering anvendes med succes til at inkorporere grafenoxid (GO) i polymerer og kompositter.
Eksempler:

• grafenoxid-TiO2-mikrosfærekomposit
• polystyren-magnetit-grafenoxidkomposit (med kerne–skal-struktur)
• kompositter af polystyren og reduceret grafenoxid
• kerne–skal-komposit af polystyren/grafenoxid belagt med polyanilinnanofibre (PANI-PS/GO)
• grafenoxid med interkaleret polystyren
• grafenoxid modificeret med p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene

Anvendelser af grafenoxid fremstillet ved eksfoliering med ultralyd

Grafenoxid fremstillet ved eksfoliering med ultralyd har brede anvendelsesmuligheder inden for forskellige områder. Inden for elektronik anvendes det i fleksible, elektrisk ledende film og sensorer; inden for energilagring forbedrer det batteriers og superkondensatorers ydeevne. Grafenoxidets antibakterielle egenskaber gør det værdifuldt til biomedicinske anvendelser, mens dets store overfladeareal og funktionelle grupper er fordelagtige inden for katalyse og miljøoprensning. Samlet set muliggør eksfoliering med ultralyd effektiv fremstilling af grafenoxid af høj kvalitet til brug i banebrydende teknologier.

Sonikatorer til forarbejdning af grafen og grafenoxid

Hielscher Ultrasonics tilbyder ultralydssystemer med høj effekt til eksfoliering, dispergering og forarbejdning af grafen og grafenoxid. Pålidelige ultralydsprocessorer og avancerede reaktorer giver præcis kontrol, så ultralydsprocesserne kan tilpasses de ønskede mål.
En afgørende parameter er ultralydsamplituden, som bestemmer ultralydssondens udvidelse og sammentrækning under vibrationerne. De industrielle ultralydsapparater fra Hielscher leverer høje amplituder på op til 200µm ved kontinuerlig drift 24/7. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonder. Alle processorer kan tilpasses præcist til procesbetingelserne og overvåges via indbygget software, hvilket sikrer pålidelighed, ensartet kvalitet og reproducerbare resultater.
Sonikatorer fra Hielscher er robuste og kan arbejde kontinuerligt i krævende driftsmiljøer, hvilket gør sonikering til den foretrukne produktionsteknologi til fremstilling af grafen, grafenoxid og grafitiske materialer i stor skala.
Et bredt produktsortiment af ultralydsapparater og tilbehør, herunder sonotroder og reaktorer i forskellige størrelser og geometrier, gør det muligt at vælge optimale reaktionsbetingelser og faktorer såsom reagenser, tilført ultralydsenergi, tryk, temperatur og volumenstrøm for at opnå den højeste kvalitet. Ultralydsreaktorerne fra Hielscher kan endda tryksættes til op til flere hundrede barg, hvilket muliggør sonikering af højviskøse pastaer med viskositeter over 250.000 centipoise.
Disse faktorer gør delaminering og eksfoliering med ultralyd bedre end konventionelle teknikker.