Veteen dispergoituvan grafeenin ultraäänikuorinta

• Yksi- ja kaksikerroksisia grafeenin nanosheettejä voidaan tuottaa nopeasti ultraäänikuorinnalla, jolla on suuri läpäisykyky ja edulliset kustannukset.
• Ultraäänellä kuorittu grafeeni voidaan funktionalisoida biopolymeereillä veteen dispergoituvan grafeenin saamiseksi.
• Ultraäänikavitaatiolla syntetisoitu grafeeni voidaan edelleen käsitellä stabiiliksi vesipohjaiseksi dispersioksi.

Korkealaatuisen grafeenin ultraäänikuorinta

Ultrasonication on luotettava menetelmä grafeenikerrosten (mono-, bi- ja muutaman kerroksen grafeeni) tuottamiseksi grafiittihiutaleista tai hiukkasista. Vaikka muut yleiset kuorintatekniikat, kuten pallo- ja rullamyllyt tai korkean leikkaussekoittimet, liittyvät huonoon laatuun ja aggressiivisten reagenssien ja liuottimien käyttöön, ultraäänikuorintamenetelmä vakuuttaa korkealaatuisella tuotoksellaan, korkealla prosessikapasiteetillaan ja lievillä käsittelyolosuhteillaan.
Ultraäänikavitaatio luo voimakkaita leikkausvoimia, jotka erottavat pinotut grafiittikerrokset mono-, bi- ja harvoiksi kerroksiksi virheetöntä grafeenia.

Veteen dispergoituvat grafeenilevyt sonikoinnin kautta

Ultrasonication on tehokas menetelmä, jolla on toistettavia tuloksia hiilinanoputkien purkamiseksi vedessä tai orgaanisissa liuottimissa. [/caption] Normaaleissa olosuhteissa grafeeni on tuskin dispergoituva veteen ja muodostaa aggregaatteja ja agglomeraatteja, kun se dispergoidaan vesipitoiseen väliaineeseen. Koska vesijärjestelmillä on merkittäviä etuja, koska ne ovat edullisia, myrkyttömiä, ympäristöystävällisiä, vesipohjaiset grafeenijärjestelmät ovat erittäin houkuttelevia grafeenin valmistajille ja jatkojalostusteollisuudelle.
Veteen dispergoituvien grafeenin nanoarkkien saamiseksi ultraäänellä kuorittu grafeeni modifioidaan polysakkarideilla / biopolymeereillä, kuten pullulaani, kitosaani, alginaatti, gelatiini tai arabikumi.

Grafiitin suoran kuorinnan protokolla 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 1 paino-% etikkahappoon. Grafiittijauhe dispergoitiin biopolymeerin vesiliuoksiin ja käsiteltiin koetintyyppisellä ultraäänilaitteella UP200S (suurin teho 200 W, taajuus 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Saksa), joka oli varustettu titaanisonotrodilla (mikrokärki S3, kärjen halkaisija 3 mm, suurin amplitudi 210μm, akustinen tehotiheys tai pinnan intensiteetti 460 W cm-2) seuraavissa olosuhteissa: 0,5 sykliä ja 50% amplitudi, 10, 20, 30 ja 60 minuutin ajan. Parhaat tulokset saatiin 30 minuutin sonikaatiolla. Sonikaatiota käytettiin 16, 25 W: n teholla 30 minuutin ajan, ja energiankulutus (energiantuotanto tilavuusyksikköä kohti) oli 731 Ws ml-1.
Tämän jälkeen seoksia sentrifugoitiin nopeudella 1500 rpm 60 minuutin ajan kuorimattomien grafiittihiukkasten poistamiseksi ja pestiin sitten 5 kertaa ja sentrifugoitiin uudelleen nopeudella 5000 rpm 20 minuutin ajan ylimääräisten biopolymeerien poistamiseksi. Tuloksena olevat tummanharmaat liuokset tyhjiökuivattiin 40 ºC:ssa, kunnes massahäviötä ei tapahtunut. Saadut polymeeri-grafeenijauheet dispergoidaan uudelleen veteen (1 mg ml-1 pullulaanille ja kitosaanille; 0,18 mg ml-1 alginaatille) karakterisointia varten. Pullulan-, alginaatti- ja kitosaaniavusteisella ultraäänellä saadut grafeenilevyt ilmoitettiin vastaavasti veto-G: ksi, alg-G: ksi ja chit-G: ksi.
Kolmesta järjestelmästä pullulaani ja kitosaani olivat tehokkaampia grafiitin kuorinnassa kuin alginaatti. Tämä menetelmä tuotti kuorittuja mono-, bi- ja muutaman kerroksen grafeenilevyjä, joissa oli vain pieniä sivuttaisia (reunoja) vikoja. Biopolymeerien adsorptio grafeenin pinnalle tarjoaa vesidispersion pitkäaikaisen stabiilisuuden (yli 6 kuukautta).
(vrt. Unalan ym. 2015)

Nopea kehyssarja (a:sta f:ään), joka kuvaa grafiittihiutaleen sonomekaanista kuorintaa vedessä käyttämällä UP200S: ää, 200 W: n ultraäänilaitetta, jossa on 3 mm: n sonotrode. Nuolet osoittavat halkaisupaikan (kuorinnan) kavitaatiokuplien tunkeutuessa halkeamaan.
(tutkimus ja kuvat: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicators for Graphene Exfoliation

Hielscherin suuritehoisia ultraääniprosessoreita käytetään maailmanlaajuisesti grafiitin ja grafeenin onnistuneeseen kuorintaan ja dispersioon. Ultraäänidispergointilaitteemme ovat saatavilla laboratoriosta ja penkistä täydellisiin teollisiin tuotantoyksiköihin. Kestävyyden, 24/7 toiminnan ja vähäisen huollon lisäksi Hielscher-ultraääniastiat vakuuttavat käsittelyn helppoudella ja lineaarisella skaalautuvuudella.
Prosesseja voidaan helposti testata ja optimoida laboratoriossa. Tämän jälkeen kaikki prosessin tulokset voidaan skaalata täysin lineaarisesti kaupalliselle tuotantotasolle. Tämä tekee sonikaatiosta tehokkaan ja tehokkaan tuotantomenetelmän korkealaatuisten grafeenilevyjen suurelle määrälle.
Hielscher Ultrasonics teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudit. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Sopivat ultraäänireaktorit takaavat korkealaatuisten grafeenin nanoarkkien luotettavan ja turvallisen massatuotannon sekä stabiilit nanosheet-dispersiot.

Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7 toiminnan raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: