Graphenoxid – Ultraschallexfoliation und Dispergierung

Die Ultraschallexfoliation ist ein weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung von Graphenoxid, bei dem Graphitoxid in dünne, ein- oder wenige Lagen umfassende Graphenschichten aufgespalten wird. Ultraschallgeräte von Hielscher erzeugen intensive akustische Kavitation, wobei Ultraschallwellen mit hoher Energiedichte energiereiche Mikrobläschen in einem flüssigen Medium erzeugen. Beim Kollabieren dieser Bläschen entstehen Scherkräfte, die die Graphitoxidschichten voneinander trennen und sie wirksam zu Graphenoxid-Nanoschichten exfolieren. Nutzen Sie Hochleistungsultraschall, um Ihre Anwendung auf Graphenoxidbasis auf die nächste Stufe zu bringen!

Ultraschallexfoliation von Graphenoxid

Graphenoxid ist wasserlöslich, amphiphil, ungiftig und biologisch abbaubar und lässt sich leicht zu stabilen Kolloiden dispergieren. Die Ultraschallexfoliation und -dispergierung ist ein sehr effizientes, schnelles und kostengünstiges Verfahren zur Synthese, Dispergierung und Funktionalisierung von Graphenoxid im industriellen Maßstab. In der nachgelagerten Verarbeitung erzeugen Ultraschalldispergierer leistungsfähige Graphenoxid-Polymer-Komposite.

Vorteile der Ultraschallexfoliation

Die Ultraschallexfoliation bietet mehrere Vorteile, darunter Einfachheit, Skalierbarkeit und Umweltfreundlichkeit, da sie in der Regel weder aggressive Chemikalien noch aufwendige Verarbeitungsschritte erfordert. Darüber hinaus ermöglicht sie eine präzise Kontrolle der Größe und Dicke der Graphenoxid-Nanoschichten, was entscheidend ist, um deren Eigenschaften für verschiedene Anwendungen abzustimmen.

Das Video zeigt das Mischen und Dispergieren von Graphit in 250mL Epoxidharz (Toolcraft L) mittels Ultraschall mit einem Ultraschallhomogenisator (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics stellt Geräte zur Dispergierung von Graphit, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, Nanodrähten oder Füllstoffen im Labor oder in Produktionsprozessen mit großen Volumina her. Typische Anwendungen sind die Dispergierung von Nano- und Mikromaterialien während der Funktionalisierung oder deren Dispergierung in Harzen oder Polymeren.

Protokoll: Ultraschallexfoliation von Graphenoxid

Die Exfoliationsmethode spielt eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der Größe von Graphenoxid-Nanoschichten (GO). Aufgrund ihrer präzise steuerbaren Prozessparameter ist die Ultraschallexfoliation die am weitesten verbreitete Delaminationstechnik zur Herstellung von hochwertigem Graphen und Graphenoxid.
Für die Ultraschallexfoliation von Graphenoxid aus Graphitoxid stehen verschiedene Protokolle zur Verfügung. Nachfolgend finden Sie ein beispielhaftes Protokoll zur Ultraschallexfoliation von Graphenoxid:
Graphitoxidpulver wird in eine wässrige KOH-Lösung mit einem pH-Wert von 10 eingemischt. Für die Exfoliation und anschließende Dispergierung wird das Ultraschallgerät UP200St (200W) mit Sonotrode verwendet. Anschließend werden K+-Ionen an die Basalebene des Graphens angelagert, um einen Alterungsprozess einzuleiten. Die Alterung erfolgt durch Rotationsverdampfung (2 h). Um überschüssige K+-Ionen zu entfernen, wird das Pulver mehrmals gewaschen und zentrifugiert.
Das erhaltene Gemisch wird zentrifugiert und gefriergetrocknet, sodass ein dispergierbares Graphenoxidpulver ausfällt.
Herstellung einer leitfähigen Graphenoxidpaste: Das Graphenoxidpulver kann unter Ultraschallbehandlung in Dimethylformamid (DMF) dispergiert werden, um eine leitfähige Paste herzustellen. (Han et al. 2014)

Die Ultraschallexfoliation wird häufig zur Herstellung von Graphen-Nanoschichten und Graphenoxid eingesetzt. Die Ultraschallsysteme von Hielscher überzeugen durch eine sehr effiziente, kostengünstige und schnelle Graphensynthese und werden für große Suspensionsströme sowie zur Massenproduktion von Graphen eingesetzt.
Bildquelle: 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.

Der Mechanismus der Ultraschallexfoliation von Graphenoxid
(Abb.: Potts et al. 2011)

Ultraschallfunktionalisierung von Graphenoxid

Die Ultraschallbehandlung wird erfolgreich eingesetzt, um Graphenoxid (GO) in Polymere und Komposite einzuarbeiten.
Beispiele:

Graphenoxid-TiO2-Mikrokugelkomposit
Polystyrol-Magnetit-Graphenoxid-Komposit (mit Kern-Schale-Struktur)
Komposite aus Polystyrol und reduziertem Graphenoxid
Mit Polyanilin-Nanofasern beschichtetes Polystyrol/Graphenoxid-Kern-Schale-Komposit (PANI-PS/GO)
Mit Polystyrol interkaliertes Graphenoxid
Mit p-Phenylendiamin-4vinylbenzol-Polystyrol modifiziertes Graphenoxid

Anwendungen von durch Ultraschallexfoliation hergestelltem Graphenoxid

Durch Ultraschallexfoliation hergestelltes Graphenoxid findet breite Anwendung in unterschiedlichen Bereichen. In der Elektronik wird es in flexiblen leitfähigen Filmen und Sensoren eingesetzt; in der Energiespeicherung verbessert es die Leistungsfähigkeit von Batterien und Superkondensatoren. Die antibakteriellen Eigenschaften von Graphenoxid machen es für biomedizinische Anwendungen wertvoll, während seine große Oberfläche und seine funktionellen Gruppen bei der Katalyse und der Umweltsanierung von Vorteil sind. Insgesamt ermöglicht die Ultraschallexfoliation die effiziente Herstellung von hochwertigem Graphenoxid für den Einsatz in modernsten Technologien.

Erfahren Sie, wie Sie mittels Ultraschallexfoliation mit leistungsstarken Ultraschallgeräten mit Sonotrode hochwertiges einlagiges Graphen herstellen. Die Ultraschallbehandlung ist ein einfaches, effizientes und skalierbares Verfahren zur Herstellung von Graphendispersionen mit hohen Ausbeuten und hervorragender Qualität der Graphenschichten.

Ultraschallgeräte zur Verarbeitung von Graphen und Graphenoxid

Hielscher Ultrasonics bietet Hochleistungsultraschallsysteme zur Exfoliation, Dispergierung und Verarbeitung von Graphen und Graphenoxid. Zuverlässige Ultraschallprozessoren und ausgereifte Reaktoren ermöglichen eine präzise Steuerung, mit der sich Ultraschallprozesse auf die gewünschten Ziele abstimmen lassen.
Ein entscheidender Parameter ist die Ultraschallamplitude, die die schwingungsbedingte Ausdehnung und Kontraktion der Sonotrode bestimmt. Industrielle Ultraschallgeräte von Hielscher liefern im kontinuierlichen 24/7-Betrieb hohe Amplituden von bis zu 200µm. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Sonotroden erhältlich. Alle Prozessoren lassen sich präzise an die Prozessbedingungen anpassen und über integrierte Software überwachen, wodurch Zuverlässigkeit, gleichbleibende Qualität und reproduzierbare Ergebnisse gewährleistet werden.
Ultraschallgeräte von Hielscher sind robust und können unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen kontinuierlich arbeiten. Damit ist die Ultraschallbehandlung die bevorzugte Produktionstechnologie zur Herstellung von Graphen, Graphenoxid und graphitischen Materialien im großen Maßstab.
Ein breites Produktsortiment an Ultraschallgeräten und Zubehör, darunter Sonotroden und Reaktoren in verschiedenen Größen und Geometrien, ermöglicht die Auswahl optimaler Reaktionsbedingungen und Einflussgrößen wie Reagenzien, Ultraschallenergieeintrag, Druck, Temperatur und Volumenstrom, um höchste Qualität zu erzielen. Die Ultraschallreaktoren von Hielscher können sogar mit Drücken von bis zu mehreren hundert barg beaufschlagt werden und ermöglichen so die Beschallung hochviskoser Pasten mit Viskositäten von über 250.000 Centipoise (Komma als Tausendertrennzeichen).
Aufgrund dieser Faktoren sind die Ultraschalldelamination und -exfoliation herkömmlichen Verfahren überlegen.

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Wissenswertes

Ultraschall und Kavitation: Wie wird Graphit durch Beschallung zu Graphenoxid exfoliert?

Die Ultraschallexfoliation von Graphitoxid (GrO) beruht auf der hohen Scherkraft, die durch akustische Kavitation hervorgerufen wird. Akustische Kavitation entsteht durch abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen, die durch die Einkopplung leistungsstarker Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit erzeugt werden. Während der Niederdruckzyklen entstehen sehr kleine Hohlräume oder Vakuumbläschen, die im Verlauf der wiederkehrenden Niederdruckzyklen wachsen. Wenn die Vakuumbläschen eine Größe erreichen, bei der sie keine weitere Energie aufnehmen können, kollabieren sie während eines Hochdruckzyklus heftig. Die Blasenimplosion führt zu kavitationsbedingten Scherkräften und Spannungswellen, extremen Temperaturen von bis zu 6000K, extremen Abkühlraten von über 10¹⁰K/s, sehr hohen Drücken von bis zu 2000atm, extremen Druckunterschieden sowie Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000km/h (∼280m/s).
Diese intensiven Kräfte wirken auf die Graphitstapel ein, die zu ein- oder wenige Lagen umfassenden Nanoschichten aus Graphenoxid und unmodifiziertem Graphen delaminiert werden.

Was ist Graphenoxid?

Graphenoxid (GO) wird durch Exfoliation von Graphitoxid (GrO) synthetisiert. Während Graphitoxid ein 3D-Material ist, das aus Millionen von Graphenschichten mit eingelagertem Sauerstoff besteht, ist Graphenoxid ein ein- oder wenige Lagen umfassendes Graphen, das auf beiden Seiten mit Sauerstoff versehen ist.
Graphenoxid und Graphen unterscheiden sich in folgenden Eigenschaften: Graphenoxid ist polar, während Graphen unpolar ist. Graphenoxid ist hydrophil, während Graphen hydrophob ist.
Das bedeutet, dass Graphenoxid wasserlöslich, amphiphil, ungiftig und biologisch abbaubar ist und stabile kolloidale Suspensionen bildet. Die Oberfläche von Graphenoxid enthält Epoxid-, Hydroxyl- und Carboxylgruppen, die mit Kationen und Anionen wechselwirken können. Aufgrund ihrer einzigartigen organisch-anorganischen Hybridstruktur und ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften bieten GO-Polymer-Komposite ein hohes Potenzial für vielfältige industrielle Anwendungen. (Tolasz et al. 2014)

Was ist reduziertes Graphenoxid?

Reduziertes Graphenoxid (rGO) wird durch ultraschallgestützte, chemische oder thermische Reduktion von Graphenoxid hergestellt. Während des Reduktionsschritts werden die meisten sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen des Graphenoxids entfernt, sodass das entstehende reduzierte Graphenoxid (rGO) sehr ähnliche Eigenschaften wie unmodifiziertes Graphen aufweist. Reduziertes Graphenoxid (rGO) weist jedoch Defekte auf und unterscheidet sich strukturell von reinem Graphen.

Literatur/Quellen

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.