Ultrazvučno ljuštenje grafena koji se može raspršiti u vodi

• Jednoslojni i dvoslojni grafenski nanoploče mogu se brzo proizvesti ultrazvučnim pilingom uz visoku propusnost i po niskoj cijeni.
• Ultrazvučno oljušteni grafen može se funkcionalizirati biopolimerima kako bi se dobio grafen koji se može raspršiti u vodi.
• Ultrazvučnom kavitacijom sintetizirani grafen može se dalje preraditi u stabilnu disperziju na bazi vode.

Ultrazvučni piling visokokvalitetnog grafena

Ultrasonication je pouzdana metoda za proizvodnju slojeva grafena (jedno-, dvo- i nekoliko slojeva grafena) od grafitnih pahuljica ili čestica. Dok su druge uobičajene tehnike eksfolijacije kao što su mlinovi s kuglicama i valjcima ili mikseri s velikim smicanjem povezane s niskom kvalitetom i upotrebom agresivnih reagensa i otapala, ultrazvučna metoda eksfolijacije uvjerava visokokvalitetnim rezultatom, visokim kapacitetom procesa i blagim uvjetima obrade.
Ultrazvučna kavitacija stvara intenzivne sile smicanja, koje odvajaju naslagane grafitne slojeve u jedno-, dvo- i nekoliko slojeva grafena bez nedostataka.

Grafenske ploče koje se mogu raspršiti u vodi ultrazvukom

Ultrasonication je učinkovit postupak s ponovljivim rezultatima za raspetljavanje ugljikovih nanocijevi u vodi ili organskim otapalima.[/caption]U normalnim uvjetima, grafen se teško raspršuje u vodi i stvara agregate i aglomerate kada se rasprši u vodenom mediju. Budući da vodeni sustavi imaju značajne prednosti jer su jeftini, netoksični, ekološki prihvatljivi, grafenski sustavi na bazi vode vrlo su privlačni proizvođačima grafena i daljnjoj industriji.
Kako bi se dobile grafenske nanoploče koje se mogu raspršiti u vodi, ultrazvučno oljušteni grafen se modificira polisaharidima/biopolimerima kao što su pululan, kitozan, alginat, želatina ili guma arabika.

Protokol izravnog pilinga grafita pomoću ultrazvuka

Neionski pululan i anionski alginat (1,0 g) odvojeno su otopljeni u 20 ml destilirane vode, dok je kationski kitozan (0,4 g) otopljen u 20 ml destilirane vode s 1 mas.% octene kiseline. Grafitni prah je raspršen u vodenim otopinama biopolimera i tretiran ultrazvučnim uređajem tipa sonde UP200S (maksimalna snaga 200 W, frekvencija 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Njemačka) opremljenim titanskom sonotrodom (mikro vrh S3, promjer vrha 3 mm, maksimalna amplituda 210 µm, gustoća akustične snage ili površinski intenzitet 460 W cm-2) pod sljedećim uvjetima: 0,5 ciklusa i 50% amplitude, u razdoblju od 10, 20, 30, odnosno 60 min. Najbolji rezultati postignuti su pri 30-minutnoj sonikaciji. Sonikacija je primijenjena pri snazi od 16,25 W tijekom 30 minuta, uz potrošnju energije (izlazna energija po jedinici volumena) od 731 Ws ml-1.
Nakon toga, smjese su centrifugirane na 1500 okretaja u minuti tijekom 60 minuta kako bi se uklonile čestice grafita bez ljuštenja, a zatim isprane 5 puta i ponovno centrifugirane na 5000 okretaja u minuti tijekom 20 minuta kako bi se uklonio višak biopolimera. Dobivene tamnosive otopine osušene su u vakuumu na 40ºC dok nije došlo do gubitka mase. Rezultirajući polimer-grafenski prahovi ponovno su dispergirani u vodi (1 mg ml-1 za pululan i hitozan; 0,18 mg ml-1 za alginat) za karakterizaciju. Grafenske ploče dobivene ultrazvukom potpomognutim pululanom, alginatom i hitozanom označene su kao pull-G, alg-G i chit-G.
Od tri sustava, pululan i kitozan bili su učinkovitiji u eksfolijaciji grafita od alginata. Ova metoda je dala ljuštene jedno-, dvo- i višeslojne grafenske ploče sa samo malim bočnim (rubovima) defektima. Adsorpcija biopolimera na površini grafena omogućuje dugotrajnu stabilnost (više od 6 mjeseci) vodene disperzije.
(usp. Unalan et al. 2015.)

Slijed velike brzine (od a do f) okvira koji ilustriraju sono-mehaničko ljuštenje grafitne pahuljice u vodi koristeći UP200S, ultrazvučni uređaj od 200 W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto rascjepa (eksfolijacije) s kavitacijskim mjehurićima koji prodiru kroz rascjep.
(studija i slike: © Tyurnina et al. 2020

Ultrazvučni uređaji za eksfolijaciju grafena

Hielscher ultrazvučni procesori velike snage koriste se diljem svijeta za uspješno ljuštenje i raspršivanje grafita i grafena. Naši ultrazvučni raspršivači dostupni su od laboratorijskih i stolnih do potpunih industrijskih proizvodnih jedinica. Osim robusnosti, rada 24/7 i niskog održavanja, Hielscher ultrasonicators uvjeravaju visokom jednostavnošću obrade i linearnom skalabilnošću.
Procesi se mogu lako testirati i optimizirati u laboratoriju. Nakon toga, svi rezultati procesa mogu se skalirati potpuno linearno na razinu komercijalne proizvodnje. Zbog toga je sonikacija djelotvorna i djelotvorna metoda proizvodnje velike količine visokokvalitetnih ploča od grafena.
Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Odgovarajući ultrazvučni reaktori osiguravaju mogućnost pouzdane i sigurne masovne proizvodnje visokokvalitetnih grafenskih nanoploča kao i stabilnih disperzija nanoploča.

Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad pri teškim uvjetima rada iu zahtjevnim okruženjima.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: