Exfoliación ultrasónica de grafeno dispersable en agua

• Las nanoláminas de grafeno de una y dos capas pueden producirse rápidamente mediante exfoliación ultrasónica, con una elevada capacidad de procesamiento 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 procesarse posteriormente para obtener una dispersión acuosa estable.

Exfoliación ultrasónica de grafeno de alta calidad

La sonicación es un método fiable para producir capas de grafeno (grafeno de una, dos y pocas capas) a partir de escamas o partículas de grafito. Mientras que otras técnicas habituales de exfoliación, como los molinos de bolas y de rodillos o los mezcladores de alto cizallamiento, se asocian con una baja calidad y con el uso de reactivos y disolventes agresivos, el método de exfoliación ultrasónica destaca por la alta calidad del producto obtenido, su elevada capacidad de procesamiento y sus condiciones de procesamiento suaves.
La cavitación ultrasónica genera intensas fuerzas de cizallamiento que separan las capas apiladas de grafito y producen grafeno de una, dos y pocas capas sin defectos.

Láminas de grafeno dispersables en agua mediante sonicación

La sonicación es un procedimiento eficaz, con resultados repetibles, para desenredar nanotubos de carbono en agua o en disolventes orgánicos.[/caption]En condiciones normales, el grafeno es difícilmente dispersable en agua y forma agregados y aglomerados cuando se dispersa en un medio acuoso. Dado que los sistemas acuosos presentan ventajas importantes, como su bajo coste, su ausencia de toxicidad y su compatibilidad con el medio ambiente, los sistemas de grafeno en medio acuoso resultan muy atractivos para los fabricantes de grafeno y las industrias que lo utilizan en etapas posteriores.
Para obtener nanoláminas de grafeno dispersables en agua, el grafeno exfoliado por ultrasonidos se modifica con polisacáridos / biopolímeros como pululano, quitosano, alginato, gelatina o goma arábiga.

Protocolo de exfoliación directa de grafito mediante ultrasonidos

El pululano 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 1 wt% de ácido acético. El polvo de grafito se dispersó en las soluciones acuosas de biopolímeros y se trató con un sonicador de tipo sonda UP200S (potencia máxima de 200 W, frecuencia de 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Alemania) equipado con un sonotrodo de titanio (micropunta S3, diámetro de punta de 3 mm, amplitud máxima de 210 µm, densidad de potencia acústica o intensidad superficial de 460 W cm-2) en las siguientes condiciones: ciclo de 0,5 y amplitud del 50%, durante 10, 20, 30 y 60 min, respectivamente. Los mejores resultados se obtuvieron con una sonicación de 30 min. La sonicación se aplicó a una potencia de 16,25 W durante 30 minutos, con un consumo de energía (energía suministrada 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, se lavaron 5 veces y se centrifugaron de nuevo a 5000 rpm durante 20 min para eliminar el exceso de biopolímeros. Las soluciones resultantes, de color gris oscuro, se secaron al vacío a 40ºC hasta que dejaron de perder masa. Los polvos de polímero–grafeno obtenidos se redispersaron en agua (1 mg ml-1 para el pululano y el quitosano; 0,18 mg ml-1 para el alginato) para su caracterización. Las láminas de grafeno obtenidas mediante sonicación asistida por pululano, alginato y quitosano se denominaron pull-G, alg-G y chit-G, respectivamente.
De los tres sistemas, el pululano y el quitosano fueron más eficaces que el alginato para exfoliar el grafito. Este método produjo láminas exfoliadas de grafeno de una, dos y pocas capas con pocos defectos laterales (en los bordes). La adsorción de biopolímeros sobre la superficie del grafeno proporciona una estabilidad duradera (más de 6 meses) a la dispersión acuosa.
(cf. Unalan et al. 2015)

Una secuencia de fotogramas de alta velocidad (de a a f) que ilustra la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua utilizando el UP200S, un sonicador de 200 W con un sonotrodo de 3-mm. Las flechas muestran el punto de separación (exfoliación), con burbujas de cavitación que penetran en la abertura.
(estudio e imágenes: © Tyurnina et al. 2020

Sonicadores para la exfoliación de grafeno

Los procesadores ultrasónicos de alta potencia de Hielscher se utilizan en todo el mundo para exfoliar y dispersar grafito y grafeno con excelentes resultados. Nuestros dispersores ultrasónicos están disponibles desde equipos de laboratorio y de sobremesa hasta unidades de producción a plena escala industrial. Además de su robustez, su funcionamiento 24/7 y sus reducidas necesidades de mantenimiento, los sonicadores de Hielscher destacan por su gran facilidad de procesamiento y su escalabilidad lineal.
Los procesos pueden probarse y optimizarse fácilmente en el laboratorio. Posteriormente, todos los resultados del proceso pueden escalarse de forma completamente lineal hasta el nivel de producción comercial. Esto convierte la sonicación en un método de producción eficaz y eficiente para obtener grandes volúmenes de láminas de grafeno de alta calidad.
Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Es posible trabajar fácilmente con amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. Los reactores ultrasónicos adecuados permiten producir en masa, de forma fiable y segura, nanoláminas de grafeno de alta calidad, así como dispersiones estables de nanoláminas.

La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.
La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: