Nanoplatelet Grafena yang Disintesis dan Didispersikan melalui Sonikasi Probe

Nanoplatelet grafena (GNP) dapat disintesis dan didispersikan dengan efisiensi dan keandalan tinggi menggunakan sonikator. Ultrasonikasi berintensitas tinggi digunakan untuk mengeksfoliasi grafit dan memperoleh grafena dengan sedikit lapisan, yang sering disebut nanoplatelet grafena. Sonikasi juga unggul dalam menghasilkan distribusi nanoplatelet grafena yang sangat baik dalam suspensi dengan viskositas rendah maupun tinggi.

Pemrosesan Nanoplatelet Grafena – Hasil Unggul dengan Sonikasi

Untuk pemrosesan nanoplatelet grafena, sonikator tipe probe merupakan alat yang paling efisien, andal, dan mudah digunakan. Karena ultrasonikasi dapat diterapkan untuk sintesis, dispersi, dan fungsionalisasi nanoplatelet grafena, sonikator digunakan untuk berbagai aplikasi terkait grafena:

• Eksfoliasi dan Sintesis Sonikator tipe probe digunakan untuk mengeksfoliasi grafit menjadi grafena dengan sedikit lapisan atau nanoplatelet grafena. Ultrasonikasi berintensitas tinggi mengatasi gaya antarlapisan dan memecah grafit menjadi lembaran grafena individual yang lebih kecil.
• Dispersi: Dispersi nanoplatelet grafena yang seragam dalam medium cair sangat penting bagi semua aplikasi terkait grafena. Sonikator tipe probe dapat mendispersikan nanoplatelet secara merata ke seluruh cairan, mencegah aglomerasi dan memastikan suspensi yang stabil.
• Fungsionalisasi: Sonikasi memfasilitasi fungsionalisasi nanoplatelet grafena dengan mendorong pelekatan gugus fungsi atau molekul pada permukaannya. Fungsionalisasi ini meningkatkan kompatibilitasnya dengan polimer atau material tertentu.

Sintesis Nanoplatelet Grafena melalui Sonikasi

Nanoplatelet grafena dapat disintesis melalui eksfoliasi grafit berbantuan ultrasonik. Untuk itu, suspensi grafit disonikasi menggunakan homogenizer ultrasonik tipe probe. Prosedur ini telah diuji pada konsentrasi padatan yang sangat rendah (misalnya 4wt% atau lebih rendah) hingga tinggi (misalnya 10wt% atau lebih tinggi).
 
Ghanem dan Rehim (2018) melaporkan bahwa eksfoliasi ultrasonik grafit dalam air dengan bantuan natrium dodesil benzena sulfonat (SDS) untuk menyiapkan nanoplatelet grafena terdispersi menggunakan sonikator tipe probe UP 100H berhasil menghasilkan grafena dengan sedikit lapisan yang bebas cacat (>5). Prekursor berikut digunakan: lembaran nano grafena tereduksi disiapkan melalui metode Hummer dan diperlakukan dengan dua langkah tambahan, yaitu oksidasi grafit yang diikuti reduksi grafena oksida. Dengan demikian, nanoplatelet grafena terdispersi diperoleh dalam air melalui metode dispersi pelarut (lihat skema di bawah). Lapisan grafit dieksfoliasi melalui sonikasi menggunakan sonikator tipe probe UP100H (100 W). Sebanyak 0,25 g SDS dilarutkan dalam 150 mL air deionisasi, lalu ditambahkan 0,5 g grafit. Larutan grafit disonikasi selama 12h dalam penangas es, lalu larutan suspensi disentrifugasi pada 686× g selama 30 min untuk menghilangkan partikel besar. Endapan dibuang dan supernatan disentrifugasi kembali selama 90 min pada 12.600× g. Nanoplatelet grafena terdispersi yang diperoleh dicuci secara menyeluruh beberapa kali untuk menghilangkan surfaktan. Terakhir, produk dikeringkan pada 60ºC dalam kondisi vakum.

Citra mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi dari lembaran nano grafena yang diperoleh
melalui dispersi fase air berbantuan ultrasonik dan metode Hummer.
(Studi dan grafik: Ghanem dan Rehim, 2018)

Apa Perbedaan antara Lembaran Grafena dan Nanoplatelet?

Lembaran grafena dan nanoplatelet grafena sama-sama merupakan nanomaterial yang tersusun dari grafena, yaitu satu lapisan atom karbon yang tersusun dalam kisi heksagonal. Terkadang, lembaran grafena dan nanoplatelet grafena digunakan sebagai istilah yang dapat saling menggantikan. Namun, secara ilmiah, terdapat beberapa perbedaan antara kedua nanomaterial grafena ini: Perbedaan utama antara lembaran grafena dan nanoplatelet grafena terletak pada struktur dan ketebalannya. Lembaran grafena terdiri dari satu lapisan atom karbon dan sangat tipis, sedangkan nanoplatelet grafena lebih tebal dan tersusun dari beberapa lapisan grafena yang bertumpuk. Perbedaan struktur ini dapat memengaruhi sifat dan kesesuaiannya untuk aplikasi tertentu. Penggunaan sonikator tipe probe merupakan teknik yang sangat efektif dan efisien untuk menyintesis, mendispersikan, dan memfungsionalisasi lembaran grafena satu lapis serta nanoplatelet grafena dengan sedikit lapisan yang bertumpuk.

Grafik yang memvisualisasikan sintesis ultrasonik nanoplatelet grafena menggunakan sonikator UP100H
(Studi dan grafik: Ghanem dan Rehim, 2018)

Dispersi Nanoplatelet Grafena menggunakan Sonikasi

Dispersi nanoplatelet grafena (GNP) yang seragam sangat penting dalam berbagai aplikasi karena secara langsung memengaruhi sifat dan kinerja material atau produk yang dihasilkan. Oleh karena itu, sonikator dipasang untuk mendispersikan nanoplatelet grafena di berbagai industri. Industri berikut merupakan contoh utama penggunaan ultrasonik berdaya tinggi:
 

• Nanokomposit: Nanoplatelet grafena dapat dimasukkan ke dalam berbagai material nanokomposit, seperti polimer, untuk meningkatkan sifat mekanis, listrik, dan termalnya. Sonikator tipe probe membantu mendispersikan nanoplatelet secara seragam di dalam matriks polimer, sehingga meningkatkan kinerja material.
• Elektrode dan Baterai: Nanoplatelet grafena digunakan dalam pengembangan elektrode berkinerja tinggi untuk baterai dan superkapasitor. Sonikasi membantu menghasilkan material elektrode berbasis grafena yang terdispersi dengan baik dan memiliki luas permukaan yang lebih besar, sehingga meningkatkan kemampuan penyimpanan energi.
• Katalisis: Sonikasi dapat digunakan untuk menyiapkan material katalitik berbasis nanoplatelet grafena. Dispersi nanopartikel katalitik yang seragam pada permukaan grafena dapat meningkatkan aktivitas katalitik dalam berbagai reaksi.
• Sensor: Nanoplatelet grafena dapat digunakan dalam pembuatan sensor untuk berbagai aplikasi, termasuk pengindraan gas, pengindraan biologis, dan pemantauan lingkungan. Sonikasi memastikan distribusi nanoplatelet yang homogen dalam material sensor, sehingga meningkatkan sensitivitas dan kinerjanya.
• Pelapis dan Film: Sonikator tipe probe digunakan untuk menyiapkan pelapis dan film berbasis nanoplatelet grafena untuk aplikasi dalam elektronika, kedirgantaraan, dan pelapis pelindung. Dispersi yang seragam dan adhesi yang tepat pada substrat sangat penting untuk aplikasi ini.
• Aplikasi Biomedis: Dalam aplikasi biomedis, nanoplatelet grafena dapat digunakan untuk penghantaran obat, pencitraan, dan rekayasa jaringan. Sonikasi membantu penyiapan nanopartikel dan komposit berbasis grafena yang digunakan dalam aplikasi ini.

Citra SEM nanoplatelet grafena pada (b) X3000 dan (c) X8000
(Studi dan gambar: ©Alizadeh et al., 2018)

Hasil yang Terbukti Secara Ilmiah untuk Dispersi Ultrasonik Nanoplatelet Grafena

Para ilmuwan telah menggunakan sonikator Hielscher untuk sintesis dan dispersi nanoplatelet grafena dalam berbagai studi serta menguji pengaruh ultrasonikasi secara menyeluruh. Di bawah ini, Anda dapat menemukan beberapa contoh keberhasilan pencampuran nanoplatelet grafena ke dalam berbagai campuran seperti bubur berbasis air, resin epoksi, atau mortar.
 
Prosedur umum untuk mendispersikan nanoplatelet grafena secara andal, cepat, dan seragam adalah sebagai berikut:
Untuk dispersi, nanoplatelet grafena disonikasi dalam aseton murni menggunakan pencampur ultrasonik Hielscher UP400S selama hampir satu jam untuk mencegah aglomerasi lembaran grafena. Aseton dihilangkan sepenuhnya melalui penguapan. Kemudian, nanoplatelet grafena ditambahkan sebanyak 1 wt % dari sistem epoksi dan disonikasi dalam resin epoksi pada 90W selama 15 menit.
(bdk. Cakir et al., 2016)
 
Studi lain menyelidiki penguatan nanofluida berbasis cairan ionik (ionanofluida) dengan menambahkan nanoplatelet grafena. Untuk mendapatkan dispersi yang unggul, campuran nanoplatelet grafena, cairan ionik, dan natrium dodesil benzena sulfonat dihomogenisasi menggunakan sonikator tipe probe Hielscher UP200S selama sekitar 90 min.
(bdk. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) melaporkan pemasukan nanoplatelet grafena secara efektif ke dalam mortar. Untuk itu, suspensi grafena berbasis air dibuat dengan menambahkan nanoplatelet – dengan bobot yang ditentukan berdasarkan kadar target yang diinginkan dalam material yang dihasilkan – ke dalam campuran air keran biasa dan pemlastis, yang kemudian diaduk secara magnetis selama 2 min. Suspensi dihomogenisasi melalui ultrasonikasi selama 90 min pada suhu ruang, menggunakan perangkat Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) yang dilengkapi sonotrode 22mm yang menyalurkan daya sebesar 4500 J/min pada frekuensi 24 kHz. Kombinasi spesifik laju energi dan durasi sonikasi ini ditetapkan sebagai kondisi optimum setelah penyelidikan yang cermat terhadap pengaruh parameter ultrasonikasi pada kualitas suspensi.
(bdk. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) menyatakan dalam penelitian mereka bahwa teknik dispersi yang tepat seperti sonikasi memastikan bahwa nanomaterial seperti nanoplatelet grafena dapat meningkatkan sifat material pengisi. Hal ini karena dispersi merupakan salah satu faktor terpenting dalam produksi nanokomposit berkualitas tinggi seperti grout epoksi.

Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Pemrosesan Nanoplatelet Grafena

Hielscher Ultrasonics merupakan pemimpin pasar untuk ultrasonikator berkinerja tinggi bagi pemrosesan nanomaterial. Sonikator tipe probe Hielscher digunakan di seluruh dunia di laboratorium dan lingkungan industri untuk berbagai aplikasi, termasuk pemrosesan nanoplatelet grafena.
Teknologi mutakhir, keahlian manufaktur dan rekayasa Jerman, serta pengalaman teknis selama bertahun-tahun menjadikan Hielscher Ultrasonics mitra pilihan Anda untuk keberhasilan aplikasi ultrasonik.

Desain, Manufaktur, dan Konsultasi – Kualitas Buatan Jerman

Ultrasonikator Hielscher terkenal dengan standar kualitas dan desain tertinggi. Ketangguhan dan kemudahan pengoperasiannya memungkinkan integrasi ultrasonikator kami dengan lancar ke dalam fasilitas industri. Ultrasonikator Hielscher dapat dengan mudah menangani kondisi berat dan lingkungan yang menuntut.

Hielscher Ultrasonics merupakan perusahaan bersertifikat ISO dan memberikan penekanan khusus pada ultrasonikator berkinerja tinggi yang dilengkapi teknologi mutakhir dan mudah digunakan. Tentu saja, ultrasonikator Hielscher mematuhi standar CE dan memenuhi persyaratan UL, CSA, dan RoHs.

Tabel di bawah memberikan gambaran mengenai perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: