Vees dispergeeruva grafeeni ultraheli eksfoliatsioon

• Mono- ja kaksikkihilisi grafeeni nanolehti on võimalik toota kiiresti, suure läbilaskevõimega ja madalate kuludega ultraheli eksfoliatsiooni abil.
• Ultraheli abil eksfolieeritud grafeeni saab biopolümeeridega funktsionaliseerida, et saada vees dispergeeruvat grafeeni.
• Ultraheli kavitatsiooni abil saab sünteesitud grafeeni edasi töödelda stabiilseks vesipõhiseks dispersiooniks.

Kvaliteetse grafeeni ultraheli eksfoliatsioon

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on usaldusväärne meetod grafeenikihtide (mono-, kaks- ja vähekihiline grafeen) tootmiseks grafiidihelvestest või -osakestest. Kui muud levinud eksfoliatsioonitehnikad, näiteks kuul- ja rullveskid või suure nihkejõuga segistid, on seotud madala kvaliteediga ning agressiivsete reagentide ja lahustite kasutamisega, siis ultraheli eksfoliatsioonimeetod veenab kõrge kvaliteediga väljundi, suure protsessimahu ja leebete töötingimustega.
Ultraheli kavitatsioon tekitab tugevaid nihkejõude, mis eraldavad virnastatud grafiidikihid defektivaba grafeeni mono-, kaks- ja vähekihilisteks kihtideks.

Vees dispergeeruvad grafeenilehed sonikeerimise teel

Ultraheli töötlus on tõhus ja korratavate tulemustega protseduur süsiniknanotorude lahtiharutamiseks vees või orgaanilistes lahustites.[/caption]Tavatingimustes on grafeen vees halvasti dispergeeruv ning moodustab vesikeskkonnas dispergeerimisel agregaate ja aglomeraate. Kuna vesisüsteemidel on olulisi eeliseid – need on odavad, mittetoksilised ja keskkonnasõbralikud –, on vesipõhised grafeenisüsteemid väga atraktiivsed grafeenitootjatele ja järgnevatele tööstusharudele.
Vees dispergeeruvate grafeeni nanolehtede saamiseks modifitseeritakse ultraheli abil eksfolieeritud grafeen polüsahhariidide / biopolümeeridega, nagu pullulaan, kitosaan, alginaat, želatiin või guarkummi (gummiaraabik).

Grafiidi otsese eksfoliatsiooni protokoll ultraheli abil

Mitteioonne pullulaan ja anioonne alginaat (1,0 g) lahustati eraldi 20 ml destilleeritud vees, katioonne kitosaan (0,4 g) aga lahustati 20 ml destilleeritud vees, mis sisaldas 1 wt% äädikhapet. Grafiidipulber dispergeeriti vesilahustes sisalduvates biopolümeerides ja töödeldi sondtüüpi sonikaatoriga UP200S (maksimaalne võimsus 200 W, sagedus 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Saksamaa), mis oli varustatud titaanist sonotroodiga (mikrotipp S3, otsa läbimõõt 3 mm, maksimaalne amplituud 210µm, akustiline võimsustihedus ehk pinnaintensiivsus 460 W cm-2) järgmistel tingimustel: 0,5 tsüklit ja 50% amplituud, vastavalt 10, 20, 30 ja 60 min jooksul. Parimad tulemused saadi 30min sonikeerimisega. Sonikeerimist rakendati võimsusega 16,25 W 30 minuti jooksul, energiatarbimisega (ruumalaühiku kohta antud energia) 731 Ws ml-1.
Seejärel tsentrifuugiti segusid kiirusel 1500 rpm 60 min, et eemaldada eksfolieerimata grafiidiosakesed, ning seejärel pesti 5 korda ja tsentrifuugiti uuesti kiirusel 5000 rpm 20 min, et eemaldada ülejäänud biopolümeerid. Saadud tumehallid lahused kuivatati vaakumis temperatuuril 40ºC, kuni massikadu enam ei esinenud. Saadud polümeer–grafeenipulbrid dispergeeriti karakteriseerimiseks uuesti vees (1 mg ml-1 pullulaani ja kitosaani puhul; 0,18 mg ml-1 alginaadi puhul). Pullulaani-, alginaadi- ja kitosaanitoetatud ultraheli töötlusega saadud grafeenilehti tähistati vastavalt pull-G, alg-G ja chit-G.
Kolmest süsteemist olid pullulaan ja kitosaan grafiidi eksfoliatsioonil tõhusamad kui alginaat. See meetod andis eksfolieeritud mono-, kaks- ja vähekihilisi grafeenilehti, millel oli vaid vähe külgmisi (servade) defekte. Biopolümeeride adsorptsioon grafeeni pinnale tagab vesidispersiooni pikaajalise stabiilsuse (üle 6 kuu).
(vrd Unalan et al. 2015)

Kiire kaadrite jada (a-st f-ni), mis illustreerib grafiidihelbe sonomehaanilist eksfoliatsiooni vees kasutades seadet UP200S, 200W sonikaatorit 3-mm sonotroodiga. Nooled näitavad lõhenemise (eksfoliatsiooni) kohta, kus kavitatsioonimullid tungivad lõhesse.
(uuring ja pildid: © Tyurnina et al. 2020

Sonikaatorid grafeeni eksfoliatsiooniks

Hielscheri suure võimsusega ultraheli töötlusseadmeid kasutatakse kogu maailmas grafiidi ja grafeeni edukaks eksfoliatsiooniks ja dispergeerimiseks. Meie ultraheli dispergaatorid on saadaval labori- ja lauaseadmetest kuni täismahus tööstuslike tootmisseadmeteni. Lisaks töökindlusele, 24/7 töörežiimile ja vähesele hooldusvajadusele veenavad Hielscheri sonikaatorid lihtsa töötlemise ja lineaarse skaleeritavusega.
Protsesse saab laboris hõlpsasti testida ja optimeerida. Seejärel saab kõiki protsessitulemusi täiesti lineaarselt skaleerida kommertstootmise tasemele. See muudab sonikeerimise tõhusaks ja efektiivseks tootmismeetodiks kvaliteetsete grafeenilehtede suurte koguste jaoks.
Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheli töötlusseadmed suudavad tagada väga suuri amplituude. Kuni 200µm amplituude on võimalik hõlpsasti ja pidevalt kasutada 24/7 töörežiimis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Sobivad ultraheli reaktorid tagavad kvaliteetsete grafeeni nanolehtede ning stabiilsete nanolehtede dispersioonide usaldusväärse ja ohutu masstootmise.

Hielscheri ultraheliseadmete töökindlus võimaldab 24/7 kasutamist raskes töörežiimis ja nõudlikes keskkondades.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie sonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest: