Ultraschallexfoliation von wasserdispergierbarem Graphen

• Ein- und zweilagige Graphen-Nanoblätter lassen sich durch Ultraschallexfoliation schnell, mit hohem Durchsatz und zu geringen Kosten herstellen.
• Durch Ultraschall exfoliertes Graphen kann mit Biopolymeren funktionalisiert werden, um wasserdispergierbares Graphen zu erhalten.
• Durch Ultraschallkavitation kann das synthetisierte Graphen zu einer stabilen wasserbasierten Dispersion weiterverarbeitet werden.

Ultraschallexfoliation von hochwertigem Graphen

Die Ultraschallbehandlung ist eine zuverlässige Methode zur Herstellung von Graphenschichten (ein-, zwei- und weniglagigem Graphen) aus Graphitflocken oder -partikeln. Während andere gängige Exfoliationsverfahren wie Kugel- und Walzenmühlen oder Hochschermischer mit geringer Qualität und dem Einsatz aggressiver Reagenzien und Lösungsmittel verbunden sind, überzeugt die Ultraschallexfoliation durch hochwertige Produkte, eine hohe Verarbeitungskapazität und schonende Prozessbedingungen.
Ultraschallkavitation erzeugt starke Scherkräfte, die die gestapelten Graphitschichten in ein-, zwei- und weniglagiges, defektfreies Graphen auftrennen.

Wasserdispergierbare Graphenblätter durch Ultraschallbehandlung

Die Ultraschallbehandlung ist ein wirksames Verfahren mit reproduzierbaren Ergebnissen, um Kohlenstoffnanoröhren in Wasser oder organischen Lösungsmitteln zu entwirren.[/caption] Unter normalen Bedingungen ist Graphen in Wasser kaum dispergierbar und bildet beim Dispergieren in einem wässrigen Medium Aggregate und Agglomerate. Da wässrige Systeme wesentliche Vorteile bieten – sie sind kostengünstig, ungiftig und umweltfreundlich –, sind wasserbasierte Graphensysteme für Graphenhersteller und die weiterverarbeitende Industrie besonders attraktiv.
Um wasserdispergierbare Graphen-Nanoblätter zu erhalten, wird das durch Ultraschall exfolierte Graphen mit Polysacchariden / Biopolymeren wie Pullulan, Chitosan, Alginat, Gelatine oder Gummi arabicum modifiziert.

Protokoll zur direkten Exfoliation von Graphit mittels Ultraschall

Nichtionisches Pullulan und anionisches Alginat (1,0 g) wurden getrennt in jeweils 20 ml destilliertem Wasser gelöst, während kationisches Chitosan (0,4 g) in 20 ml destilliertem Wasser mit 1 wt% Essigsäure gelöst wurde. Graphitpulver wurde in den wässrigen Biopolymerlösungen dispergiert und mit einem Sonotroden-Ultraschallgerät UP200S (maximale Leistung 200 W, Frequenz 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Deutschland) behandelt, das mit einer Titansonotrode ausgestattet war (Mikrospitze S3, Spitzendurchmesser 3 mm, maximale Amplitude 210µm, akustische Leistungsdichte bzw. Oberflächenintensität 460 W cm-2). Die Behandlung erfolgte unter folgenden Bedingungen: Zykluseinstellung 0,5 und 50% Amplitude für jeweils 10, 20, 30 und 60 min. Die besten Ergebnisse wurden bei einer Ultraschallbehandlung von 30min erzielt. Die Ultraschallbehandlung erfolgte mit einer Leistung von 16,25 W über 30 Minuten bei einem Energieverbrauch (abgegebene Energie pro Volumeneinheit) von 731 Ws ml-1.
Anschließend wurden die Gemische bei 1500 rpm für 60 min zentrifugiert, um nicht exfolierte Graphitpartikel zu entfernen. Danach wurden sie 5-mal gewaschen und erneut bei 5000 rpm für 20 min zentrifugiert, um überschüssige Biopolymere zu entfernen. Die resultierenden dunkelgrauen Lösungen wurden bei 40ºC unter Vakuum bis zur Massenkonstanz getrocknet. Die erhaltenen Polymer-Graphen-Pulver wurden zur Charakterisierung erneut in Wasser dispergiert (1 mg ml-1 für Pullulan und Chitosan; 0,18 mg ml-1 für Alginat). Die durch Ultraschallbehandlung mit Unterstützung von Pullulan, Alginat bzw. Chitosan erhaltenen Graphenblätter wurden als pull-G, alg-G bzw. chit-G bezeichnet.
Von den drei Systemen waren Pullulan und Chitosan bei der Exfoliation von Graphit wirksamer als Alginat. Mit dieser Methode wurden exfolierte ein-, zwei- und weniglagige Graphenblätter mit nur wenigen lateralen Defekten (an den Rändern) erhalten. Die Adsorption von Biopolymeren an der Graphenoberfläche verleiht der wässrigen Dispersion eine lang anhaltende Stabilität (mehr als 6 Monate).
(vgl. Unalan et al. 2015)

Eine Hochgeschwindigkeits-Bildfolge (von a bis f) veranschaulicht die sonomechanische Exfoliation einer Graphitflocke in Wasser mit dem UP200S, einem 200W-Ultraschallgerät mit einer 3-mm-Sonotrode. Die Pfeile zeigen die Stelle der Aufspaltung (Exfoliation), an der Kavitationsblasen in den Spalt eindringen.
(Studie und Bilder: © Tyurnina et al. 2020)

Ultraschallgeräte zur Graphenexfoliation

Hochleistungs-Ultraschallprozessoren von Hielscher werden weltweit erfolgreich zur Exfoliation und Dispergierung von Graphit und Graphen eingesetzt. Unsere Ultraschalldispergierer sind als Labor- und Tischgeräte bis hin zu industriellen Produktionsanlagen erhältlich. Neben Robustheit, 24/7-Betrieb und geringem Wartungsaufwand überzeugen die Ultraschallgeräte von Hielscher durch eine besonders einfache Prozessführung und lineare Skalierbarkeit.
Prozesse lassen sich im Labor einfach testen und optimieren. Anschließend können sämtliche Prozessergebnisse vollständig linear auf den kommerziellen Produktionsmaßstab übertragen werden. Dies macht die Ultraschallbehandlung zu einem wirksamen und effizienten Produktionsverfahren für große Mengen hochwertiger Graphenblätter.
Industrielle Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Passende Ultraschallreaktoren ermöglichen die zuverlässige und sichere Massenproduktion hochwertiger Graphen-Nanoblätter sowie stabiler Nanoblattdispersionen.

Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: