Vees dispergeeruva grafeeni ultraheli koorimine

• Ühe- ja kahekihilisi grafeeni nanolehti saab kiiresti toota suure läbilaskevõimega ja madala hinnaga ultraheli koorimise teel.
• Ultraheli kooritud grafeeni saab funktsionaliseerida biopolümeeridega, et saada vees dispergeeruvat grafeeni.
• Ultraheli kavitatsiooni abil saab sünteesitud grafeeni edasi töödelda stabiilseks veepõhiseks dispersiooniks.

Kvaliteetse grafeeni ultraheli koorimine

Ultraheli on usaldusväärne meetod grafeeni kihtide (mono-, kahe- ja mõnekihiline grafeen) tootmiseks grafiidihelvestest või -osakestest. Kuigi muud tavalised koorimistehnikad, nagu kuul- ja rullveskid või suure nihkega segistid, on seotud madala kvaliteediga ja agressiivsete reaktiivide ja lahustite kasutamisega, veenab ultraheli koorimismeetod oma kvaliteetset väljundit, suurt protsessivõimsust ja kergeid töötlemistingimusi.
Ultraheli kavitatsioon loob intensiivsed nihkejõud, mis eraldavad virnastatud grafiidikihid mono-, bi- ja mõne kihi defektivaba grafeeni.

Vees dispergeeruvad grafeeni lehed ultrahelitöötluse kaudu

Ultraheli on efektiivne protseduur, millel on korratavad tulemused süsinikunanotorude eemaldamiseks vees või orgaanilistes lahustites. [/pealdis] Normaalsetes tingimustes on grafeen vees vaevalt dispergeeruv ja moodustab vesikeskkonnas dispergeeritud agregaate ja aglomeraate. Kuna vesisüsteemidel on märkimisväärsed eelised, kuna need on odavad, mittetoksilised, keskkonnasõbralikud, on veepõhised grafeenisüsteemid grafeenitootjatele ja järgtööstusele väga atraktiivsed.
Vees dispergeeruvate grafeeni nanolehtede saamiseks modifitseeritakse ultraheli kooritud grafeeni polüsahhariidide / biopolümeeridega nagu pullulaan, kitosaan, alginaat, želatiin või kummiaraabik.

Grafiidi otsese koorimise protokoll ultraheli abil

Mitteioonne pullulaan ja anioonne alginaat (1,0 g) lahustati eraldi 20 ml destilleeritud vees, samas kui katioonne kitosaan (0,4 g) lahustati 20 ml destilleeritud vees 1 massiprotsendilise äädikhappega. Grafiidipulber dispergeeriti biopolümeeri vesilahustes ja töödeldi sondi tüüpi ultrasonikaatoriga UP200S (maksimaalne võimsus 200 W, sagedus 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Saksamaa), mis oli varustatud titaansonotrode'iga (mikroots S3, otsa läbimõõt 3 mm, maksimaalne amplituud 210 μm, akustiline võimsustihedus või pinna intensiivsus 460 W cm-2) järgmistel tingimustel: 0,5 tsüklit ja 50% amplituudi, vastavalt 10, 20, 30 ja 60 min. Parimad tulemused saadi 30min ultrahelitöötlusel. Sonikatsiooni rakendati võimsusega 16, 25 W 30 minutit, energiatarbimine (energiaväljund ruumalaühiku kohta) oli 731 Ws ml-1.
Seejärel tsentrifuugiti segusid kiirusel 1500 pööret minutis 60 minutit, et eemaldada koorimata grafiidiosakesed, seejärel pesti 5 korda ja tsentrifuugiti uuesti kiirusel 5000 pööret minutis 20 minutit, et eemaldada liigsed biopolümeerid. Saadud tumehallid lahused kuivatati vaakumis 40ºC juures kuni massikadudeta. Saadud polümeer-grafeeni pulbrid repergeeriti iseloomustamiseks vees (1 mg ml-1 pullulaani ja kitosaani puhul; 0,18 mg ml-1 alginaadi puhul). Pullulaani, alginaadi ja kitosaani abil ultraheliga saadud grafeenilehed olid vastavalt tähistatud kui pull-G, alg-G ja chit-G.
Kolmest süsteemist olid pullulaan ja kitosaan grafiidi koorimisel efektiivsemad kui alginaat. Selle meetodiga saadi kooritud ühe-, kahe- ja mõnekihilised grafeenilehed, millel olid ainult madalad külgmised (servad) defektid. Biopolümeeride adsorptsioon grafeeni pinnale tagab vesidispersiooni pikaajalise stabiilsuse (rohkem kui 6 kuud).
(vrd Unalan et al. 2015)

Kiire kaadrite jada (a-st f-ni), mis illustreerib grafiidihelveste sonomehaanilist koorimist vees kasutades UP200S, 200W ultrasonikaatorit 3 mm sonotrode'iga. Nooled näitavad lõhenemise (koorimise) kohta kavitatsioonimullidega, mis tungivad lõhenemisse.
(uuring ja pildid: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasonikaatorid grafeeni koorimiseks

Hielscheri suure võimsusega ultraheli protsessoreid kasutatakse kogu maailmas grafiidi ja grafeeni edukaks koorimiseks ja hajutamiseks. Meie ultraheli dispergeerijad on saadaval laborist ja pinkidest kuni täielike tööstuslike tootmisüksusteni. Lisaks töökindlusele, 24/7 operatsioonile ja madalale hooldusele veenavad Hielscheri ultrasonikaatorid töötlemise lihtsust ja lineaarset mastaapsust.
Protsesse saab laboris hõlpsasti testida ja optimeerida. Pärast seda saab kõiki protsessi tulemusi skaleerida täiesti lineaarselt kaubanduslikule tootmistasemele. See muudab ultrahelitöötluse tõhusaks ja tõhusaks tootmismeetodiks kvaliteetsete grafeenilehtede suure mahu jaoks.
Hielscher Ultrasonics tööstuslikud ultraheli protsessorid võivad pakkuda väga kõrgeid amplituudi. Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti pidevalt käivitada 24/7 operatsioonis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Sobivad ultrahelireaktorid tagavad kvaliteetsete grafeeni nanolehtede usaldusväärse ja ohutu masstootmise ning stabiilsete nanolehtede dispersioonide võime.

Hielscheri ultraheli seadmete töökindlus võimaldab 24/7 operatsiooni raskeveokite ja nõudlikes keskkondades.
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest: