Óxido de grafeno – Exfoliación y dispersión ultrasónicas
La exfoliación ultrasónica es una técnica ampliamente utilizada para producir óxido de grafeno mediante la separación del óxido de grafito en láminas finas de grafeno de una o pocas capas. Los sonicadores Hielscher generan una intensa cavitación acústica, en la que las ondas ultrasónicas de alta densidad energética generan microburbujas de alta energía en un medio líquido. Al colapsar, estas burbujas generan fuerzas de cizallamiento que separan las capas de óxido de grafito y las exfolian eficazmente en nanoláminas de óxido de grafeno. ¡Aproveche los ultrasonidos de alto rendimiento para llevar su aplicación basada en óxido de grafeno al siguiente nivel!
Exfoliación ultrasónica del óxido de grafeno
El óxido de grafeno es soluble en agua, anfifílico, no tóxico y biodegradable, y puede dispersarse fácilmente para formar coloides estables. La exfoliación y la dispersión ultrasónicas constituyen un método muy eficiente, rápido y rentable para sintetizar, dispersar y funcionalizar óxido de grafeno a escala industrial. En las etapas posteriores de procesamiento, los dispersores ultrasónicos producen materiales compuestos de óxido de grafeno y polímeros de alto rendimiento.
Ventajas de la exfoliación ultrasónica
La exfoliación ultrasónica ofrece varias ventajas, como la sencillez, la escalabilidad y el respeto por el medio ambiente, ya que normalmente no requiere productos químicos agresivos ni procesos complejos. Además, permite controlar con precisión el tamaño y el espesor de las nanoláminas de óxido de grafeno, algo crucial para ajustar sus propiedades en diversas aplicaciones.
Sonicador industrial UIP16000hdT para la exfoliación de óxido de grafeno con una elevada capacidad de procesamiento
Protocolo: exfoliación ultrasónica del óxido de grafeno
Para controlar el tamaño de las nanoláminas de óxido de grafeno (GO), el método de exfoliación desempeña un papel fundamental. Gracias a sus parámetros de proceso controlables con precisión, la exfoliación ultrasónica es la técnica de delaminación más utilizada para producir grafeno y óxido de grafeno de alta calidad.
Existen diversos protocolos para la exfoliación ultrasónica de óxido de grafeno a partir de óxido de grafito. A continuación se presenta un ejemplo de protocolo para la exfoliación ultrasónica de óxido de grafeno:
El polvo de óxido de grafito se mezcla con una solución acuosa de KOH con un valor de pH de 10. Para la exfoliación y la posterior dispersión, se utiliza el ultrasonicador de sonda UP200St (200 W). A continuación, se fijan iones K+ sobre el plano basal del grafeno para inducir un proceso de envejecimiento. El envejecimiento se realiza mediante evaporación rotatoria (2 h). Para eliminar el exceso de iones K+, el polvo se lava y se centrifuga varias veces.
La mezcla obtenida se centrifuga y se liofiliza, de modo que precipita un polvo de óxido de grafeno dispersable.
Preparación de una pasta conductora de óxido de grafeno: el polvo de óxido de grafeno puede dispersarse en dimetilformamida (DMF) mediante sonicación para producir una pasta conductora. (Han et al.2014)
El mecanismo de exfoliación ultrasónica del óxido de grafeno
(Imagen: Potts et al. 2011)
Funcionalización ultrasónica del óxido de grafeno
La sonicación se utiliza con éxito para incorporar óxido de grafeno (GO) en polímeros y materiales compuestos.
Ejemplos:
- material compuesto de óxido de grafeno–TiO2 con morfología de microesferas
- material compuesto de poliestireno, magnetita y óxido de grafeno (con estructura de núcleo–capa)
- materiales compuestos de poliestireno y óxido de grafeno reducido
- material compuesto de núcleo–capa de poliestireno/óxido de grafeno recubierto de nanofibras de polianilina (PANI-PS/GO)
- óxido de grafeno intercalado con poliestireno
- óxido de grafeno modificado con «p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene»
Ultrasonicador UP400St para la preparación de dispersiones de nanoplaquetas de grafeno
Aplicaciones del óxido de grafeno producido mediante exfoliación ultrasónica
El óxido de grafeno producido mediante exfoliación ultrasónica tiene numerosas aplicaciones en diversos campos. En electrónica, se utiliza en películas conductoras flexibles y sensores; en almacenamiento de energía, mejora el rendimiento de las baterías y los supercondensadores. Las propiedades antibacterianas del óxido de grafeno lo hacen valioso para aplicaciones biomédicas, mientras que su elevada superficie específica y sus grupos funcionales resultan ventajosos para la catálisis y la remediación ambiental. En general, la exfoliación ultrasónica facilita la producción eficiente de óxido de grafeno de alta calidad para su uso en tecnologías de vanguardia.
Sonicadores para el procesamiento de grafeno y óxido de grafeno
Hielscher Ultrasonics ofrece sistemas ultrasónicos de alta potencia para exfoliar, dispersar y procesar grafeno y óxido de grafeno. Sus procesadores ultrasónicos fiables y sus reactores sofisticados proporcionan un control preciso que permite ajustar los procesos ultrasónicos a los objetivos deseados.
Un parámetro crucial es la amplitud ultrasónica, que determina la expansión y la contracción vibratorias de la sonda ultrasónica. Los ultrasonicadores industriales de Hielscher proporcionan amplitudes elevadas, de hasta 200 µm, con funcionamiento continuo 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sondas ultrasónicas personalizadas. Todos los procesadores pueden ajustarse con precisión a las condiciones del proceso y supervisarse mediante el software integrado, lo que garantiza fiabilidad, calidad constante y resultados reproducibles.
Los sonicadores Hielscher son robustos y pueden funcionar de forma continua en entornos de trabajo exigentes, lo que convierte la sonicación en la tecnología de producción preferida para la preparación a gran escala de grafeno, óxido de grafeno y materiales grafíticos.
La amplia gama de ultrasonicadores y accesorios, incluidos sonotrodos y reactores de diversos tamaños y geometrías, permite seleccionar las condiciones y los factores de reacción óptimos, como los reactivos, el aporte de energía ultrasónica, la presión, la temperatura y el caudal, para lograr la máxima calidad. Los reactores ultrasónicos de Hielscher pueden incluso presurizarse hasta varios cientos de barg, lo que permite la sonicación de pastas muy viscosas con viscosidades superiores a 250.000 centipoises.
Gracias a estos factores, la delaminación y la exfoliación ultrasónicas superan a las técnicas convencionales.
- alta potencia
- elevadas fuerzas de cizallamiento
- posibilidad de aplicar altas presiones
- control preciso
- escalabilidad sin discontinuidades (lineal)
- procesamiento por lotes y en continuo
- resultados reproducibles
- fiabilidad
- robustez
- alta eficiencia energética
Sistema ultrasónico para la exfoliación de óxido de grafeno
Para obtener más información sobre la síntesis, dispersión y funcionalización ultrasónicas del grafeno, haga clic aquí:
- Grafeno monocapa a escala industrial mediante exfoliación ultrasónica
- Producción de grafeno
- Nanoplaquetas de grafeno
- Exfoliación de grafeno en medio acuoso
- Grafeno dispersable en agua
- Óxido de grafeno
- Xenos
Información de interés
Ultrasonidos y cavitación: ¿cómo se exfolia el grafito para obtener óxido de grafeno mediante sonicación?
La exfoliación ultrasónica del óxido de grafito (GrO) se basa en la elevada fuerza de cizallamiento inducida por la cavitación acústica. La cavitación acústica se produce debido a los ciclos alternos de alta presión / baja presión, generados por el acoplamiento de ondas ultrasónicas de alta potencia en un líquido. Durante los ciclos de baja presión se forman cavidades muy pequeñas o burbujas de vacío, que crecen a lo largo de los sucesivos ciclos de baja presión. Cuando las burbujas de vacío alcanzan un tamaño en el que ya no pueden absorber más energía, colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. La implosión de las burbujas genera fuerzas de cizallamiento por cavitación y ondas de esfuerzo, temperaturas extremas de hasta 6000K, velocidades de enfriamiento extremas superiores a 1010K/s, presiones muy elevadas de hasta 2000atm, diferencias de presión extremas y chorros de líquido de hasta 1000 km/h (∼280 m/s).
Estas intensas fuerzas actúan sobre los apilamientos de grafito, que se delaminan para formar nanoláminas de óxido de grafeno y de grafeno prístino de una o pocas capas.
¿Qué es el óxido de grafeno?
El óxido de grafeno (GO) se sintetiza mediante la exfoliación del óxido de grafito (GrO). Mientras que el óxido de grafito es un material 3D compuesto por millones de capas de grafeno con oxígeno intercalado, el óxido de grafeno es grafeno de una o pocas capas oxigenado por ambas caras.
El óxido de grafeno y el grafeno se diferencian en las siguientes características: el óxido de grafeno es polar, mientras que el grafeno es apolar. El óxido de grafeno es hidrófilo, mientras que el grafeno es hidrófobo.
Esto significa que el óxido de grafeno es soluble en agua, anfifílico, no tóxico y biodegradable, y forma suspensiones coloidales estables. La superficie del óxido de grafeno contiene grupos epoxi, hidroxilo y carboxilo, que pueden interactuar con cationes y aniones. Debido a su singular estructura híbrida orgánica–inorgánica y a sus propiedades excepcionales, los materiales compuestos de GO–polímero ofrecen un gran potencial para múltiples aplicaciones industriales. (Tolasz et al. 2014)
¿Qué es el óxido de grafeno reducido?
El óxido de grafeno reducido (rGO) se produce mediante la reducción ultrasónica, química o térmica del óxido de grafeno. Durante la etapa de reducción se elimina la mayoría de los grupos funcionales oxigenados del óxido de grafeno, de modo que el óxido de grafeno reducido (rGO) resultante presenta características muy similares a las del grafeno prístino. Sin embargo, el óxido de grafeno reducido (rGO) no está libre de defectos ni es prístino como el grafeno puro.
Bibliografía/Referencias
- 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.