grafen oksid – Ultrazvučni piling i raspršivanje
Ultrazvučna eksfolijacija široko je korištena tehnika za proizvodnju grafen oksida razgradnjom grafit oksida u tanke, jednoslojne ili višeslojne grafenske ploče. Hielscher sonikatori stvaraju intenzivnu akustičnu kavitaciju, gdje ultrazvučni valovi guste energije generiraju visokoenergetske mikromjehuriće u tekućem mediju. Ovi kolapsirajući mjehurići stvaraju sile smicanja koje razdvajaju slojeve grafitnog oksida, učinkovito ih ljušteći u nanoploče grafen oksida. Iskoristite prednosti ultrazvuka visokih performansi kako biste podigli svoju aplikaciju temeljenu na grafen oksidu na višu razinu!
Ultrazvučni piling grafen oksida
Grafen oksid je topiv u vodi, amfifilan, netoksičan, biorazgradiv i može se lako dispergirati u stabilne koloide. Ultrazvučna eksfolijacija i disperzija je vrlo učinkovita, brza i isplativa metoda za sintetiziranje, disperziju i funkcionalizaciju grafen oksida u industrijskim razmjerima. U daljnjoj obradi, ultrazvučni raspršivači proizvode kompozite grafen oksida i polimera visokih performansi.
Prednosti ultrazvučnog pilinga
Ultrazvučni piling nudi nekoliko prednosti, uključujući jednostavnost, skalabilnost i prihvatljivost za okoliš, budući da obično ne zahtijeva jake kemikalije ili složenu obradu. Dodatno, omogućuje preciznu kontrolu nad veličinom i debljinom nanoploča grafen oksida, što je ključno za podešavanje njihovih svojstava u različitim primjenama.
Industrijski sonikator UIP16000hdT za eksfolijaciju grafen oksida uz visoku propusnost
Protokol: Ultrazvučni piling grafen oksida
Kako bi se kontrolirala veličina nanoploča od grafen oksida (GO), metoda eksfolijacije igra ključni čimbenik. Zbog precizno kontroliranih procesnih parametara, ultrazvučna eksfolijacija je najraširenija tehnika delaminacije za proizvodnju visokokvalitetnog grafena i grafen oksida.
Za ultrazvučno ljuštenje grafen oksida iz grafitnog oksida dostupni su različiti protokoli. U nastavku pronađite primjer protokola za ultrazvučnu eksfolijaciju grafen oksida:
Prah grafitnog oksida miješa se u vodenoj otopini KOH s pH vrijednošću 10. Za eksfolijaciju i naknadnu disperziju koristi se ultrazvučni uređaj tipa sonde UP200St (200W). Nakon toga, K+ ioni se pričvršćuju na bazalnu ravninu grafena kako bi potaknuli proces starenja. Starenje se postiže rotacijskim isparavanjem (2 h). Kako bi se uklonio prekomjerni K+ ioni, prašak se nekoliko puta pere i centrifugira.
Dobivena smjesa se centrifugira i liofilizira, tako da se taloži disperzibilni prah grafen oksida.
Priprema vodljive paste od grafen oksida: Grafen oksid u prahu može se dispergirati u dimetilformamidu (DMF) uz sonikaciju kako bi se proizvela vodljiva pasta. (Han i sur. 2014.)
Mehanizam ultrazvučne eksfolijacije grafen oksida
(Slika: Potts et al. 2011.)
Ultrazvučna funkcionalizacija grafen oksida
Sonikacija se uspješno koristi za ugradnju grafen oksida (GO) u polimere i kompozite.
Primjeri:
- grafen oksid-TiO2 mikrosferni kompozit
- kompozit polistiren-magnetit-grafen oksid (struktura jezgra-ljuska)
- kompoziti grafen oksida reducirani polistirenom
- polistiren/grafen oksid presvučen polianilinskim nanovlaknima (PANI-PS/GO) kompozit jezgre ljuske
- polistirenski interkalirani grafen oksid
- p-fenilendiamin-4vinilbenzen-polistiren modificirani grafen oksid
Ultrasonicator UP400St za pripremu disperzija nanopločica grafena
Primjena grafen oksida proizvedenog ultrazvučnim pilingom
Grafen oksid proizveden ultrazvučnim pilingom ima široku primjenu u različitim područjima. U elektronici se koristi u fleksibilnim vodljivim filmovima i senzorima; u pohrani energije, poboljšava rad baterija i superkondenzatora. Antibakterijska svojstva grafen oksida čine ga vrijednim u biomedicinskim primjenama, dok su njegova velika površina i funkcionalne skupine korisne u katalizi i remedijaciji okoliša. Sve u svemu, ultrazvučni piling olakšava učinkovitu proizvodnju visokokvalitetnog grafen oksida za upotrebu u najsuvremenijim tehnologijama.
Sonikatori za obradu grafena i grafen oksida
Hielscher Ultrasonics nudi ultrazvučne sustave velike snage za piling, raspršivanje i obradu grafena i grafen oksida. Pouzdani ultrazvučni procesori i sofisticirani reaktori pružaju preciznu kontrolu, omogućujući podešavanje ultrazvučnih procesa prema željenim ciljevima.
Jedan od ključnih parametara je ultrazvučna amplituda, koja određuje vibracijsko širenje i skupljanje ultrazvučne sonde. Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji isporučuju visoke amplitude, do 200 µm, kontinuirano rade 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonde. Svi se procesori mogu precizno prilagoditi uvjetima procesa i nadzirati pomoću ugrađenog softvera, osiguravajući pouzdanost, dosljednu kvalitetu i ponovljive rezultate.
Hielscher sonikatori su robusni i mogu kontinuirano raditi u teškim okruženjima, što ultrazvuk čini preferiranom proizvodnom tehnologijom za veliku pripremu grafena, grafen oksida i grafitnog materijala.
Širok asortiman ultrazvučnih uređaja i pribora, uključujući sonotrode i reaktore s različitim veličinama i geometrijama, omogućuje odabir optimalnih reakcijskih uvjeta i faktora, kao što su reagensi, unos ultrazvučne energije, tlak, temperatura i brzina protoka, kako bi se postigla najviša kvaliteta . Hielscherovi ultrazvučni reaktori mogu čak stvoriti tlak do nekoliko stotina bara, omogućujući ultrazvučnu obradu visoko viskoznih pasta s viskoznošću većom od 250.000 centipoisea.
Zbog ovih čimbenika ultrazvučna delaminacija i eksfolijacija nadmašuju konvencionalne tehnike.
- visoka snaga, visoki napon
- velike sile smicanja
- primjenjivi visoki pritisci
- precizna kontrola
- besprijekorna skalabilnost (linearna)
- šaržni i kontinuirani
- ponovljivi rezultati
- pouzdanost
- robusnost
- visoka energetska učinkovitost
Ultrazvučni sustav za eksfolijaciju grafen oksida
Da biste saznali više o ultrazvučnoj sintezi grafena, disperziji i funkcionalizaciji, kliknite ovdje:
- Proizvodnja grafena
- Grafenske nanopločice
- Grafenski piling na bazi vode
- grafen koji se može raspršiti u vodi
- grafen oksid
- kseni
Činjenice koje vrijedi znati
Ultrazvuk i kavitacija: Kako se grafit ljušti do grafen oksida pomoću sonikacije?
Ultrazvučno ljuštenje grafitnog oksida (GrO) temelji se na visokoj posmičnoj sili izazvanoj akustičnom kavitacijom. Akustična kavitacija nastaje zbog izmjeničnih ciklusa visokog i niskog tlaka, koji nastaju spajanjem snažnih ultrazvučnih valova u tekućini. Tijekom ciklusa niskog tlaka pojavljuju se vrlo male šupljine ili vakuumski mjehurići, koji rastu tijekom izmjeničnih ciklusa niskog tlaka. Kada vakuumski mjehurići dostignu veličinu u kojoj ne mogu apsorbirati više energije, nasilno se kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Implozija mjehurića rezultira kavitacijskim silama smicanja i valovima naprezanja, ekstremnom temperaturom do 6000 K, ekstremnim brzinama hlađenja iznad 1010K/s, vrlo visoki pritisci do 2000 atm, ekstremne razlike tlaka kao i tekući mlazevi do 1000 km/h (~280 m/s).
Te intenzivne sile utječu na hrpe grafita, koji su slojeviti u jednoslojni ili nekoliko slojeva grafen oksida i čistih grafenskih nanoploča.
Što je grafen oksid?
Grafen oksid (GO) se sintetizira eksfolijacijom grafit oksida (GrO). Dok je grafit oksid 3D materijal koji se sastoji od milijuna slojeva grafenskih slojeva s interkaliranim kisikom, grafen oksid je jednoslojni ili višeslojni grafen koji je oksigeniran s obje strane.
Grafen oksid i grafen se međusobno razlikuju po sljedećim karakteristikama: grafen oksid je polaran, dok je grafen nepolaran. Grafen oksid je hidrofilan, dok je grafen hidrofoban.
To znači da je grafen oksid topiv u vodi, amfifilan, netoksičan, biorazgradiv i tvori stabilne koloidne suspenzije. Površina grafen oksida sadrži epoksi, hidroksilne i karboksilne skupine koje su dostupne za interakciju s kationima i anionima. Zbog svoje jedinstvene organsko-anorganske hibridne strukture i iznimnih svojstava, GO-polimerni kompoziti nude veliki potencijal za višestruku industrijsku primjenu. (Tolasz i dr. 2014.)
Što je reducirani grafen oksid?
Reducirani grafen oksid (rGO) proizvodi se ultrazvučnom, kemijskom ili toplinskom redukcijom grafen oksida. Tijekom koraka redukcije, većina kisikovih funkcionalnosti grafen oksida je uklonjena tako da dobiveni reducirani grafen oksid (rGO) ima vrlo slične karakteristike izvornom grafenu. Međutim, reducirani grafen oksid (rGO) nije bez nedostataka i netaknut kao čisti grafen.
Literatura/Reference
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Gouvea R.A., Konrath Jr L.G., Cava S., Carreno N.L.V., Goncalves M.R.F. (2011): Synthesis of nanometric graphene oxide and its effects when added in MgAl2O4 ceramic. 10th SPBMat Brazil.
- Kamisan A.I., Zainuddin L.W., Kamisan A.S., Kudin T.I.T., Hassan O.H., Abdul Halim N., Yahya M.Z.A. (2016): Ultrasonic Assisted Synthesis of Reduced Graphene Oxide in Glucose Solution. Key Engineering Materials Vol. 708, 2016. 25-29.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- Štengl, V. (2012): Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor. Chemistry – A European Journal 18(44), 2012. 14047-14054.
- Tolasz J., Štengl V., Ecorchard P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology IPCBEE vol.78, 2014.
- Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.