Ultrazvučna eksfolijacija grafena disperzibilnog u vodi
- Jednoslojni i dvoslojni nanolistovi grafena mogu se brzo proizvoditi ultrazvučnom eksfolijacijom uz visok proizvodni kapacitet i niske troškove.
- Ultrazvučno eksfolirani grafen može se funkcionalizirati biopolimerima kako bi se dobio grafen disperzibilan u vodi.
- Ultrazvučnom kavitacijom sintetizirani se grafen može dalje preraditi u stabilnu disperziju na bazi vode.
Ultrazvučna eksfolijacija visokokvalitetnog grafena
Sonikacija je pouzdana metoda za proizvodnju slojeva grafena (jednoslojnog, dvoslojnog i malobrojnoslojnog grafena) iz grafitnih pahuljica ili čestica. Dok su druge uobičajene tehnike eksfolijacije, poput kugličnih mlinova, mlinova s valjcima ili miješalica s visokim smičnim silama, povezane s niskom kvalitetom i uporabom agresivnih reagensa i otapala, metoda ultrazvučne eksfolijacije ističe se visokom kvalitetom dobivenog proizvoda, visokim procesnim kapacitetom i blagim uvjetima obrade.
Ultrazvučna kavitacija stvara intenzivne smične sile koje naslagane slojeve grafita razdvajaju u jednoslojni, dvoslojni i malobrojnoslojni grafen bez defekata.
Listovi grafena disperzibilni u vodi dobiveni sonikacijom
Sonikacija je učinkovit postupak s ponovljivim rezultatima za raspetljavanje ugljikovih nanocijevi u vodi ili organskim otapalima.[/caption]U normalnim uvjetima grafen se teško dispergira u vodi te pri dispergiranju u vodenom mediju stvara agregate i aglomerate. Budući da vodeni sustavi imaju znatne prednosti jer su jeftini, netoksični i ekološki prihvatljivi, sustavi s grafenom na bazi vode vrlo su privlačni proizvođačima grafena i industriji koja ga dalje prerađuje.
Kako bi se dobili nanolistovi grafena disperzibilni u vodi, ultrazvučno eksfolirani grafen modificira se polisaharidima / biopolimerima kao što su pululan, hitozan, alginat, želatina ili arapska guma.
- visokokvalitetni grafen
- visok prinos
- disperzija na bazi vode
- visoka koncentracija
- visoka učinkovitost
- brz proces
- niski troškovi
- visok proizvodni kapacitet
- ekološki prihvatljivo
Ultrazvučni reaktor s ultrazvučnim uređajima sa sondom za eksfolijaciju grafena u industrijskom mjerilu
Protokol izravne eksfolijacije grafita ultrazvukom
Neionski pululan i anionski alginat (1,0 g) zasebno su otopljeni u 20 ml destilirane vode, dok je kationski hitozan (0,4 g) otopljen u 20 ml destilirane vode s 1 wt% octene kiseline. Grafitni prah dispergiran je u vodenim otopinama biopolimera i obrađen ultrazvučnim uređajem sa sondom UP200S (maksimalna snaga 200 W, frekvencija 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Njemačka), opremljenim titanijevom sonotrodom (mikrovrh S3, promjer vrha 3 mm, maksimalna amplituda 210µm, gustoća akustičke snage ili površinski intenzitet 460 W cm-2), u sljedećim uvjetima: ciklus 0,5 i amplituda 50%, u trajanju od 10, 20, 30 odnosno 60 min. Najbolji rezultati dobiveni su nakon 30min sonikacije. Sonikacija je provedena pri snazi od 16,25 W tijekom 30 minuta, uz potrošnju energije (predana energija po jedinici volumena) od 731 Ws ml-1.
Nakon toga smjese su centrifugirane pri 1500 rpm tijekom 60 min radi uklanjanja neeksfoliranih čestica grafita, zatim isprane 5 puta i ponovno centrifugirane pri 5000 rpm tijekom 20 min radi uklanjanja viška biopolimera. Dobivene tamnosive otopine sušene su u vakuumu pri 40ºC sve dok više nije bilo gubitka mase. Dobiveni prahovi polimer–grafen ponovno su dispergirani u vodi (1 mg ml-1 za pululan i hitozan; 0,18 mg ml-1 za alginat) radi karakterizacije. Listovi grafena dobiveni sonikacijom uz pomoć pululana, alginata i hitozana označeni su kao pull-G, alg-G odnosno chit-G.
Od triju sustava, pululan i hitozan bili su učinkovitiji u eksfolijaciji grafita od alginata. Ovom su metodom dobiveni eksfolirani jednoslojni, dvoslojni i malobrojnoslojni listovi grafena sa samo malim brojem bočnih (rubnih) defekata. Adsorpcija biopolimera na površini grafena osigurava dugotrajnu stabilnost (više od 6 mjeseci) vodene disperzije.
(usp. Unalan et al. 2015)
Niz snimaka načinjenih velikom brzinom (od a do f) koji prikazuje sonomehaničku eksfolijaciju grafitne pahuljice u vodi s pomoću uređaja UP200S, ultrazvučnog uređaja snage 200W sa sonotrodom promjera 3 mm. Strelice pokazuju mjesto razdvajanja (eksfolijacije) na kojem kavitacijski mjehurići prodiru u pukotinu.
(istraživanje i slike: © Tyurnina et al. 2020
TEM snimke uzorka pull-G za: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G za 30 min; (f) alg-G za 30 min. (Unalan et al. 2015)
Ultrazvučni uređaji za eksfolijaciju grafena
Hielscher ultrazvučni procesori velike snage upotrebljavaju se diljem svijeta za uspješnu eksfolijaciju i dispergiranje grafita i grafena. Naši ultrazvučni dispergatori dostupni su u izvedbama od laboratorijskih i stolnih uređaja do jedinica za punu industrijsku proizvodnju. Uz robusnost, rad 24/7 i male zahtjeve za održavanjem, Hielscher ultrazvučni uređaji ističu se velikom jednostavnošću obrade i linearnom skalabilnošću.
Procesi se mogu jednostavno ispitati i optimizirati u laboratoriju. Nakon toga svi se procesni rezultati mogu potpuno linearno prenijeti na razinu komercijalne proizvodnje. Time sonikacija postaje djelotvorna i učinkovita proizvodna metoda za velike količine visokokvalitetnih listova grafena.
Industrijski ultrazvučni procesori tvrtke Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm lako se mogu kontinuirano održavati u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Odgovarajući ultrazvučni reaktori osiguravaju mogućnost pouzdane i sigurne masovne proizvodnje visokokvalitetnih nanolistova grafena, kao i stabilnih disperzija nanolistova.
Robusnost ultrazvučne opreme tvrtke Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Mehanizam ultrazvučne eksfolijacije 2D nanolistova.
(istraživanje i grafički prikaz: Tyurnina et al., 2020)
Činjenice koje vrijedi znati
Grafen
Grafen je monosloj ugljikovih atoma povezanih sp2-vezama. Grafen ima jedinstvena svojstva materijala, poput izvanredno velike specifične površine (2620 m2 g-1), vrhunskih mehaničkih svojstava s Youngovim modulom od 1 TPa i intrinzičnom čvrstoćom od 130 GPa, iznimno visoke električne vodljivosti (pokretljivost elektrona pri sobnoj temperaturi od 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), vrlo visoke toplinske vodljivosti (iznad 3000 W m K-1), da navedemo najvažnija svojstva. Zbog svojih vrhunskih svojstava grafen se intenzivno upotrebljava u razvoju i proizvodnji baterija visokih performansi, gorivnih članaka, solarnih ćelija, superkondenzatora, sustava za pohranu vodika, elektromagnetskih štitova i elektroničkih uređaja. Nadalje, grafen se ugrađuje u mnoge nanokompozite i kompozitne materijale kao dodatak za ojačavanje, primjerice u polimere, keramiku i metalne matrice. Zbog svoje visoke vodljivosti grafen je važna komponenta vodljivih boja i tinti.
Brza i sigurna ultrazvučna priprema grafena bez defekata u velikim količinama uz niske troškove omogućuje širenje primjene grafena na sve više industrijskih grana.
Literatura/Reference
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi u veličinama od laboratorijskih do industrijskih.