Exfoliación ultrasónica de grafeno dispersable en agua

  • Las nanohojas de grafeno monocapa y bicapa pueden producirse rápidamente mediante exfoliación ultrasónica con un alto rendimiento y a bajo coste.
  • El grafeno exfoliado por ultrasonidos puede funcionalizarse con biopolímeros para obtener grafeno dispersable en agua.
  • Mediante cavitación ultrasónica, el grafeno sintetizado puede seguir procesándose hasta convertirse en una dispersión acuosa estable.

Exfoliación ultrasónica de grafeno de alta calidad

La ultrasonicación es un método fiable para producir capas de grafeno (grafeno monocapa, bicapa y multicapa) a partir de copos o partículas de grafito. Mientras que otras técnicas de exfoliación habituales, como los molinos de bolas y rodillos o los mezcladores de alto cizallamiento, están relacionadas con la baja calidad y el uso de reactivos y disolventes agresivos, el método de exfoliación por ultrasonidos convence por su producción de alta calidad, su gran capacidad de proceso y sus condiciones de procesamiento suaves.
La cavitación ultrasónica crea intensas fuerzas de cizallamiento, que separan las capas de grafito apiladas en mono-, bi- y pocas capas de grafeno sin defectos.

Hojas de grafeno dispersables en agua mediante sonicación

La sonicación mediante una sonda ultrasónica es un método eficaz para exfoliar nanohojas de grafeno monocapa y dispersarlas uniformemente. La funcionalización ultrasónica permite producir grafeno dispersable en agua.La ultrasonicación es un procedimiento eficaz con resultados repetibles para desenredar nanotubos de carbono en agua o disolventes orgánicos[/caption]En condiciones normales, el grafeno es difícilmente dispersable en agua y forma agregados y aglomerados cuando se dispersa en medio acuoso. Dado que los sistemas acuosos presentan ventajas significativas por ser baratos, no tóxicos y respetuosos con el medio ambiente, los sistemas de grafeno en agua resultan muy atractivos para los fabricantes de grafeno y la industria transformadora.
Para obtener nanohojas de grafeno dispersables en agua, el grafeno exfoliado por ultrasonidos se modifica con polisacáridos / biopolímeros como el pullulano, el quitosano, el alginato, la gelatina o la goma arábiga.

Ventajas:

  • grafeno de alta calidad
  • alto rendimiento
  • dispersión acuosa
  • alta concentración
  • elevada eficiencia
  • proceso rápido
  • Bajo coste
  • Alto rendimiento
  • respetuoso con el medio ambiente

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Sistema de dispersión por ultrasonidos de 7 kW para la producción de grafeno en línea (¡Haga clic para ampliar!)

Reactor ultrasónico con ultrasonicadores tipo sonda para la exfoliación de grafeno a escala industrial

Protocolo de exfoliación directa de grafito mediante ultrasonidos

El pullulano no iónico y el alginato aniónico (1,0 g) se disolvieron por separado en 20 ml de agua destilada, mientras que el quitosano catiónico (0,4 g) se disolvió en 20 ml de agua destilada con un 1% en peso de ácido acético. El polvo de grafito se dispersó en las soluciones acuosas de biopolímeros y se trató con un ultrasonidos tipo sonda UP200S (potencia máxima 200 W, frecuencia 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Alemania) equipado con un sonotrodo de titanio (micro punta S3, diámetro de la punta 3 mm, amplitud máxima 210µm, densidad de potencia acústica o intensidad superficial 460 W cm-2) en las siguientes condiciones: 0,5 ciclos y 50% de amplitud, durante un periodo de 10, 20, 30 y 60 min, respectivamente. Los mejores resultados se obtuvieron con 30 minutos de sonicación. La sonicación se aplicó a una potencia de 16,25 W durante 30 minutos, con un consumo energético (producción de energía por unidad de volumen) de 731 Ws ml-1.
Posteriormente, las mezclas se centrifugaron a 1500 rpm durante 60 min para eliminar las partículas de grafito no exfoliadas y, a continuación, se lavaron 5 veces y se centrifugaron de nuevo a 5000 rpm durante 20 min para eliminar el exceso de biopolímeros. Las soluciones gris oscuro resultantes se secaron al vacío a 40ºC hasta que no hubo pérdida de masa. Los polvos de polímero-grafeno resultantes se volvieron a dispersar en agua (1 mg ml-1 para el pullulano y el quitosano; 0,18 mg ml-1 para el alginato) para su caracterización. Las láminas de grafeno obtenidas mediante ultrasonidos asistidos con pullulan, alginato y quitosano se denominaron pull-G, alg-G y chit-G, respectivamente.
De los tres sistemas, el pullulano y el quitosano fueron más eficaces en la exfoliación del grafeno que el alginato. Con este método se obtuvieron láminas exfoliadas de grafeno monocapa, bicapa y multicapa con escasos defectos laterales (bordes). La adsorción de biopolímeros en la superficie del grafeno proporciona una estabilidad duradera (más de 6 meses) de la dispersión acuosa.
(cf. Unalan et al. 2015)

Exfoliación ultrasónica del grafeno en el agua

Secuencia de alta velocidad (de a a f) de fotogramas que ilustran la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua. utilizando el UP200S, un ultrasonicador de 200 W con sonotrodo de 3 mm. Las flechas muestran el lugar de la división (exfoliación) con burbujas de cavitación que penetran en la división.
(estudio e imágenes: © Tyurnina et al. 2020

Exfoliación ultrasónica de nanohojas de grafeno dispersables en agua (Unalan et al. 2015)

Imágenes TEM de pull-G durante: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G durante 30 min; (f) alg-G durante 30 min. (Unalan et al. 2015)

Ultrasonidos para la exfoliación del grafeno

El ultrasonicador industrial UIP6000hdT suministra 6000 vatios de ultrasonidos de alta intensidad a través de una sonda (sonotrodo) para aplicaciones de homogeneización, dispersión, emulsificación y extracción.Los procesadores ultrasónicos de alta potencia de Hielscher se utilizan en todo el mundo para la exfoliación y dispersión con éxito de grafito y grafeno. Nuestros dispersores ultrasónicos están disponibles desde equipos de laboratorio y de sobremesa hasta unidades completas de producción industrial. Además de su robustez, su funcionamiento 24/7 y su bajo mantenimiento, los ultrasonidos Hielscher convencen por su gran facilidad de procesamiento y su escalabilidad lineal.
Los procesos pueden probarse y optimizarse fácilmente en el laboratorio. Después, todos los resultados del proceso pueden escalarse de forma completamente lineal a nivel de producción comercial. Esto convierte a la sonicación en un método de producción eficaz y eficiente para producir grandes volúmenes de láminas de grafeno de alta calidad.
Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. Los reactores de ultrasonidos correspondientes garantizan la capacidad de producción en masa fiable y segura de nanohojas de grafeno de alta calidad, así como de dispersiones estables de nanohojas.

La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite su funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes y con cargas pesadas.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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La ultrasonicación intensa mediante una sonda ultrasónica (sonotrodo) es un método muy eficaz para deslaminar y exfoliar las nanoláminas de grafeno.

Mecanismo de exfoliación ultrasónica de nanohojas 2D.
(estudio y gráfico: Tyurnina et al., 2020)



Información interesante

grafeno

Hoja de grafeno El grafeno es una monocapa de sp2-átomos de carbono enlazados. El grafeno ofrece características materiales únicas, como una superficie específica extraordinariamente grande (2620 m2g-1), propiedades mecánicas superiores con un módulo de Young de 1 TPa y una resistencia intrínseca de 130 GPa, una conductividad electrónica extremadamente alta (movilidad de electrones a temperatura ambiente de 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), una conductividad térmica muy elevada (superior a 3000 W m K-1), por citar las propiedades más importantes. Debido a sus propiedades materiales superiores, el grafeno se utiliza mucho en el desarrollo y la producción de baterías de alto rendimiento, pilas de combustible, células solares, supercondensadores, almacenamientos de hidrógeno, escudos electromagnéticos y dispositivos electrónicos. Además, el grafeno se incorpora a muchos nanocomposites y materiales compuestos como aditivo de refuerzo, por ejemplo en polímeros, cerámicas y matrices metálicas. Debido a su alta conductividad, el grafeno es un componente importante de pinturas y tintas conductoras.
El rápido y seguro preparación por ultrasonidos de grafeno sin defectos en grandes volúmenes a bajo coste permite ampliar las aplicaciones del grafeno a cada vez más industrias.

Literatura/Referencias


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonicador compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.


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