Ultralydseksfoliering af vanddispergerbar grafen

• Grafennanoark med ét eller to lag kan fremstilles hurtigt ved ultralydseksfoliering med høj gennemløbskapacitet og til lave omkostninger.
• Ultralydseksfolieret grafen kan funktionaliseres med biopolymerer for at opnå vanddispergerbar grafen.
• Ved hjælp af ultralydskavitation kan den syntetiserede grafen videreforarbejdes til en stabil vandbaseret dispersion.

Ultralydseksfoliering af grafen af høj kvalitet

Sonikering er en pålidelig metode til at fremstille grafenlag (grafen med ét, to eller få lag) af grafitflager eller -partikler. Mens andre almindelige eksfolieringsteknikker såsom kugle- og valsemøller eller blandere med høj forskydning er forbundet med lav kvalitet og brug af aggressive reagenser og opløsningsmidler, udmærker ultralydseksfolieringsmetoden sig ved høj produktkvalitet, høj proceskapacitet og milde procesbetingelser.
Ultralydskavitation skaber intense forskydningskræfter, som adskiller de stablede grafitlag til defektfri grafen med ét, to eller få lag.

Vanddispergerbare grafenark ved sonikering

Sonikering er en effektiv fremgangsmåde med reproducerbare resultater til at løsne sammenfiltrede kulstofnanorør i vand eller organiske opløsningsmidler.[/caption]Under normale betingelser er grafen vanskeligt at dispergere i vand og danner aggregater og agglomerater, når det dispergeres i et vandigt medium. Da vandige systemer har væsentlige fordele ved at være billige, ugiftige og miljøvenlige, er vandbaserede grafensystemer særdeles attraktive for grafenproducenter og den efterfølgende forarbejdningsindustri.
For at opnå vanddispergerbare grafennanoark modificeres den ultralydseksfolierede grafen med polysakkarider / biopolymerer såsom pullulan, chitosan, alginat, gelatine eller gummi arabicum.

Protokol for direkte eksfoliering af grafit med ultralyd

Ikke-ionisk pullulan og anionisk alginat (1,0 g) blev hver for sig opløst i 20 ml destilleret vand, mens kationisk chitosan (0,4 g) blev opløst i 20 ml destilleret vand med 1 wt% eddikesyre. Grafitpulver blev dispergeret i de vandige biopolymeropløsninger og behandlet med et ultralydsapparat af probetypen, UP200S (maksimal effekt 200 W, frekvens 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Tyskland), udstyret med en sonotrode af titanium (mikrospids S3, spidsdiameter 3 mm, maksimal amplitude 210µm, akustisk effekttæthed eller overfladeintensitet 460 W cm-2) under følgende betingelser: 0,5 cyklus og 50% amplitude i henholdsvis 10, 20, 30 og 60 min. De bedste resultater blev opnået ved 30min sonikering. Sonikeringen blev udført med en effekt på 16,25 W i 30 minutter med et energiforbrug (afgivet energi pr. volumenenhed) på 731 Ws ml-1.
Efterfølgende blev blandingerne centrifugeret ved 1500 rpm i 60 min for at fjerne ikke-eksfolierede grafitpartikler og derefter vasket 5 gange og igen centrifugeret ved 5000 rpm i 20 min for at fjerne overskydende biopolymerer. De fremkomne mørkegrå opløsninger blev vakuumtørret ved 40ºC, indtil der ikke længere var noget massetab. De resulterende polymer–grafenpulvere blev redispergeret i vand (1 mg ml-1 for pullulan og chitosan; 0,18 mg ml-1 for alginat) til karakterisering. Grafenark fremstillet ved pullulan-, alginat- og chitosanassisteret sonikering blev betegnet henholdsvis pull-G, alg-G og chit-G.
Af de tre systemer var pullulan og chitosan mere effektive til eksfoliering af grafit end alginat. Denne metode gav eksfolierede grafenark med ét, to eller få lag og kun få laterale defekter (ved kanterne). Adsorptionen af biopolymerer på grafenoverfladen giver den vandige dispersion langvarig stabilitet (mere end 6 måneder).
(jf. Unalan et al. 2015)

En højhastighedssekvens af billeder (fra a til f), der illustrerer sonomekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200S, et 200W ultralydsapparat med en 3-mm sonotrode. Pile viser spaltningsstedet (eksfoliering), hvor kavitationsbobler trænger ind i spalten.
(undersøgelse og billeder: © Tyurnina et al. 2020

Ultralydsapparater til grafeneksfoliering

Hielschers ultralydsprocessorer med høj effekt anvendes verden over til vellykket eksfoliering og dispergering af grafit og grafen. Vores ultralydsdispergeringsapparater fås fra laboratorie- og bordmodeller til fuldt industrielle produktionsenheder. Ud over robusthed, 24/7-drift og lavt vedligeholdelsesbehov udmærker Hielschers ultralydsapparater sig ved meget enkel proceshåndtering og lineær skalerbarhed.
Processer kan let afprøves og optimeres i laboratoriet. Derefter kan alle procesresultater skaleres fuldstændig lineært til kommercielt produktionsniveau. Dette gør sonikering til en effektiv og ressourceeffektiv produktionsmetode til store mængder grafenark af høj kvalitet.
Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan uden besvær opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder. Passende ultralydsreaktorer sikrer mulighed for pålidelig og sikker masseproduktion af grafennanoark af høj kvalitet samt stabile nanoarkdispersioner.

Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr muliggør 24/7-drift ved hård belastning og i krævende miljøer.
Tabellen nedenfor giver en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: