Veteen dispergoituvan grafeenin ultraäänieksfoliaatio

• Yksi- ja kaksikerroksisia grafeeninanoarkkeja voidaan tuottaa nopeasti ultraäänieksfoliaatiolla suurella tuotantokapasiteetilla ja pienin kustannuksin.
• Ultraäänellä eksfolioitu grafeeni voidaan funktionalisoida biopolymeereillä veteen dispergoituvan grafeenin saamiseksi.
• Syntetisoitu grafeeni voidaan jatkojalostaa ultraäänikavitaation avulla stabiiliksi vesipohjaiseksi dispersioksi.

Korkealaatuisen grafeenin ultraäänieksfoliaatio

Ultraäänikäsittely on luotettava menetelmä grafeenikerrosten (yksi-, kaksi- ja muutamakerroksisen grafeenin) tuottamiseen grafiittihiutaleista tai -hiukkasista. Muihin yleisiin eksfoliaatiotekniikoihin, kuten kuula- ja valssimyllyihin tai suuria leikkausvoimia tuottaviin sekoittimiin, liittyy heikko laatu sekä voimakkaiden reagenssien ja liuottimien käyttö. Ultraäänieksfoliaatiomenetelmän etuja puolestaan ovat tuotteen korkea laatu, suuri prosessikapasiteetti ja hellävaraiset käsittelyolosuhteet.
Ultraäänikavitaatio synnyttää voimakkaita leikkausvoimia, jotka erottavat päällekkäiset grafiittikerrokset yksi-, kaksi- ja muutamakerroksiseksi virheettömäksi grafeeniksi.

Veteen dispergoituvat grafeeniarkit ultraäänikäsittelyllä

Ultraäänikäsittely on tehokas menetelmä hiilinanoputkien sotkeutumien avaamiseen vedessä tai orgaanisissa liuottimissa, ja sillä saadaan toistettavia tuloksia.[/caption]Tavanomaisissa olosuhteissa grafeeni dispergoituu veteen heikosti ja muodostaa aggregaatteja ja agglomeraatteja, kun se dispergoidaan vesipohjaiseen väliaineeseen. Koska vesipohjaisten järjestelmien merkittäviä etuja ovat edullisuus, myrkyttömyys ja ympäristöystävällisyys, vesipohjaiset grafeenijärjestelmät ovat erittäin houkuttelevia grafeenin valmistajille ja sitä jatkojalostavalle teollisuudelle.
Veteen dispergoituvien grafeeninanoarkkien saamiseksi ultraäänellä eksfolioitua grafeenia muokataan polysakkarideilla / biopolymeereillä, kuten pullulaanilla, kitosaanilla, alginaatilla, gelatiinilla tai arabikumilla.

Menettely grafiitin suoraan eksfoliaatioon ultraäänellä

Ioniton pullulaani ja anioninen alginaatti (1,0 g) liuotettiin erikseen 20 ml:aan tislattua vettä, kun taas kationinen kitosaani (0,4 g) liuotettiin 20 ml:aan tislattua vettä, jossa oli 1 wt% etikkahappoa. Grafiittijauhe dispergoitiin biopolymeerien vesiliuoksiin ja käsiteltiin anturityyppisellä ultraäänilaitteella UP200S (enimmäisteho 200 W, taajuus 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Saksa), joka oli varustettu titaanisonotrodilla (mikrokärki S3, kärjen halkaisija 3 mm, enimmäisamplitudi 210µm, akustinen tehotiheys tai pinta-intensiteetti 460 W cm-2), seuraavissa olosuhteissa: syklisäätö 0,5 ja amplitudi 50%, käsittelyajat vastaavasti 10, 20, 30 ja 60 min. Parhaat tulokset saatiin 30min ultraäänikäsittelyllä. Ultraäänikäsittely tehtiin 16,25 W:n teholla 30 minuutin ajan, ja energiankulutus (luovutettu energia tilavuusyksikköä kohti) oli 731 Ws ml-1.
Tämän jälkeen seoksia sentrifugoitiin 1 500 rpm:n nopeudella 60 min ajan eksfolioitumattomien grafiittihiukkasten poistamiseksi, pestiin sitten 5 kertaa ja sentrifugoitiin uudelleen 5 000 rpm:n nopeudella 20 min ajan ylimääräisten biopolymeerien poistamiseksi. Saadut tummanharmaat liuokset kuivattiin tyhjiössä 40ºC:ssa, kunnes massa ei enää pienentynyt. Saadut polymeeri–grafeenijauheet dispergoitiin uudelleen veteen (pullulaanille ja kitosaanille 1 mg ml-1; alginaatille 0,18 mg ml-1) karakterisointia varten. Pullulaani-, alginaatti- ja kitosaaniavusteisella ultraäänikäsittelyllä saaduille grafeeniarkeille annettiin vastaavasti tunnukset pull-G, alg-G ja chit-G.
Näistä kolmesta järjestelmästä pullulaani ja kitosaani olivat grafiitin eksfoliaatiossa tehokkaampia kuin alginaatti. Menetelmällä saatiin eksfolioituja yksi-, kaksi- ja muutamakerroksisia grafeeniarkkeja, joissa oli vain vähän sivuttaisia (reunojen) virheitä. Biopolymeerien adsorptio grafeenin pinnalle antaa vesidispersiolle pitkäkestoisen stabiilisuuden (yli 6 kuukautta).
(vrt. Unalan et al. 2015)

Suurnopeuskuvasarja (a–f), joka havainnollistaa grafiittihiutaleen sonomekaanista eksfoliaatiota vedessä käytettäessä ultraäänilaitetta UP200S, jonka teho on 200 W ja joka on varustettu 3 mm:n sonotrodilla. Nuolet osoittavat halkeamiskohdan (eksfoliaation), jossa kavitaatiokuplat tunkeutuvat halkeamaan.
(tutkimus ja kuvat: © Tyurnina et al. 2020

Ultraäänilaitteet grafeenin eksfoliaatioon

Hielscherin suuritehoisia ultraääniprosessoreita käytetään maailmanlaajuisesti grafiitin ja grafeenin onnistuneeseen eksfoliaatioon ja dispergointiin. Ultraäänidispergointilaitteitamme on saatavilla laboratorio- ja pöytälaitteista aina täyden teollisen mittakaavan tuotantoyksiköihin asti. Vankan rakenteen, 24/7-käytön ja vähäisen huoltotarpeen lisäksi Hielscherin ultraäänilaitteiden etuja ovat erittäin helppo käsittely ja lineaarinen skaalautuvuus.
Prosesseja voidaan helposti testata ja optimoida laboratoriossa. Tämän jälkeen kaikki prosessitulokset voidaan skaalata täysin lineaarisesti kaupalliseen tuotantomittakaavaan. Tämä tekee ultraäänikäsittelystä tehokkaan ja hyötysuhteeltaan hyvän menetelmän suurten määrien korkealaatuisten grafeeniarkkien tuottamiseen.
Hielscher Ultrasonicsin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja. Jopa 200µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Sopivat ultraäänireaktorit varmistavat mahdollisuuden korkealaatuisten grafeeninanoarkkien sekä stabiilien nanoarkkidispersioiden luotettavaan ja turvalliseen massatuotantoon.

Hielscherin ultraäänilaitteiden vankka rakenne mahdollistaa 24/7-käytön raskaassa kuormituksessa ja vaativissa ympäristöissä.
Alla oleva taulukko antaa käsityksen ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: