Ultraschall-gestützte Synthese von wasserdispergierbarem Graphen

• Ein- und zweischichtige Graphenflocken können mittels ultraschall-gestützter Exfoliation in einem schnellen Verfahren mit hohem Durchsatz und geringen Kosten hergestellt werden.
• Ultraschall-exfoliertes Graphen kann mit Biopolymeren funktionalisiert werden, um wasserdispergierbares Graphen zu erhalten.
• Mittels Ultraschallkavitation kann das synthetisierte Graphen zu einer wasserbasierten stabilen Dispersion weiterverarbeitet werden.

Ultraschall-Exfoliation von hochwertigem Graphen

Ultraschall ist eine zuverlässiges Verfahren, um Graphenschichten (mono-, bi- und mehr-schichtiges Graphen) aus Graphitflocken bzw. -partikeln herzustellen. Während andere herkömmliche Exfoliationstechniken wie z.B. Kugel- und Walzenmühlen oder Hochschermischer mit mangelhafter Graphenqualität sowie der Verwendung von aggressiven Reagenzien und Lösungsmitteln verbunden sind, überzeugt die Ultraschall-Exfoliation durch hohe Qualität, hohe Prozesskapazität und milde Prozessbedingungen.
Ultraschallkavitation erzeugt hochintensive Scherkräfte, durch welche die zahlreichen aufeinanderliegenden Graphitschichten abgelöst werden, so dass fehlerfreie Graphenflocken entstehen.

Wasserdispergierbare Graphenflocken

Unter normalen Bedingungen ist Graphen kaum in Wasser dispergierbar und bildet sofort Aggregate und Agglomerate, sobald es in ein wässriges Medium gemischt wird. Da wässrige Systeme jedoch erhebliche Vorteile bieten, da sie kostengünstig, ungiftig und umweltfreundlich sind, stellen wasserbasierte Graphensuspensionen eine sehr attraktive Option für Graphenhersteller und die nachgelagerten Industrien dar.
Um wasserdispergierbare Graphen-Nanoschichten zu erhalten, wird das ultraschall-exfolierte Graphen mit Polysacchariden bzw. Biopolymeren (z.B Pullulan, Chitosan, Alginat, Gelatine oder Gummi arabicum) modifiziert.

Vorteile:

• hochwertiges Graphen
• hohe Ausbeute
• wasserbasierte Dispersion
• hohe Konzentration
• hohen Wirkungsgrad
• schnelles Verfahren
• äußerst kostengünstig
• hoher Durchsatz
• umweltfreundlich

Protokoll für die Exfoliation von Graphit

Nicht-ionisches Pullulan und anionisches Alginat (1,0 g) wurden jeweils in 20ml destilliertem Wasser (DI) aufgelöst, während kationisches Chitosan (0,4 g) in 20ml DI in 1 Gew% Essigsäure gelöst wurde. Graphitpulver wurde in die wässrigen Biopolymerlösungen dispergiert und mit einem Ultraschallprozessor UP200S (max. Leistung 200 W, Frequenz 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Deutschland) beschallt. Das Ultraschallgerät war mit Titansonotrode (Mikrospitze S3, Spitzendurchmesser 3mm, max. Amplitude 210µm, Oberflächenintensitt 460W cm^-2) ausgestattet. Die Ultraschallverarbeitung wurde mit folgenden Parametern ausgeführt: 0,5 Pulsationsmodus und 50% Amplitude, Beschallungsdauer für jeweils 10, 20, 30 und 60 Min. Die besten Ergebnisse wurden bei 30 Minuten Beschallung erhalten. Für die Ultraschallverarbeitung bei 16,25W für 30 Min lag der Energieeintrag (Energie pro Volumeneinheit) bei 731ml Ws^-1.
Anschließend wurden die Suspesionen für 60 Min bei 1500 U/m zentrifugiert, um die nicht-exfolierten Graphitpartikel zu entfernen, dann 5-mal gewaschen und erneut für 20 Min bei 5000 U/m zentrifugiert, um überschüssige Biopolymere abzutrennen. Die resultierenden dunkelgrauen Lösungen wurden bei 40°C vakuumgetrocknet. Für die Analyse wurde das gewonnene Polymer-Graphen-Pulver in Wasser redispergiert (1 mg ml^-1 für Pullulan und Chitosan; 0,18 mg ml^-1 für Alginat). Die Graphenflocken, die durch die Pullulan-, Alginat- bzw. Chitosan-gestützte Ultraschallverarbeitung gewonnen wurden, wurden entsprechend als pull-G, alg-G und chit-G benannt.
Für die Graphitexfolierung waren Pullulan und Chitosan effektiver als Alginat. Durch das Ultraschall-Verfahren wurden ein- und zwei-lagige Graphenflocken sowie Graphenflocken mit wenigen Schichten gewonnen, welche nur geringe Defekte an den seitlichen Kanten aufwiesen. Die Adsorption der Biopolymere auf der Graphenoberfläche ermöglicht die langanhaltende Stabilität (mehr als 6 Monate) der wässrigen Dispersion.
(Unalan et al., 2015)

Ultraschallsysteme

Hielscher's Hochleistungs-Ultraschallprozessoren werden weltweit für die erfolgreiche Exfolierung und Dispergierung von Graphit und Graphen eingesetzt. Unsere Ultraschall-Dispergatoren stehen für Labor und Technikum bis hin zu kompletten industriellen Produktionsanlage zur Verfügung. Neben Robustheit, 24/7-Betrieb und geringem Wartungsaufwand überzeugen Hielscher Ultraschallgeräte durch eine hohe Bedienerfreundlichkeit und lineare Skalierbarkeit.
Ultraschallprozesse können sich problemlos im Labor getestet und optimiert werden. Anschließend können alle Prozessergebnisse vollständig linear auf kommerzielles Produktionsniveau skaliert werden. Daher ist das Ultraschallverfahren ein effektiver und effizienter Prozess für die Produktion großer Volumina qualitativ hochwertiger Graphenschichten.
Hielscher Ultrasonics‘ Industrie-Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos bei einem 24/7-Betrieb kontinuierlich erzeugt werden. Für noch höhere Amplituden stehen kundenspezifische Ultraschallsonotroden zur Verfügung. Passende Ultraschallreaktoren gewährleisten eine kontinuierliche und zuverlässige Massenproduktion von hochwertigen Graphenflocken.

Hielscher Ultraschall-Homogenisatoren für jedes Volumen – vom Labor bis zur Produktion.

Die Robustheit der Hielscher Ultraschallsysteme ermöglicht einen 24/7 Betrieb unter starker Belastung sowie in anspruchsvollen Umgebungen.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme: