Grafena Oksida – Eksfoliasi dan Dispersi Ultrasonik

Eksfoliasi ultrasonik merupakan teknik yang banyak digunakan untuk menghasilkan grafena oksida dengan memecah grafit oksida menjadi lembaran grafena tipis dengan satu atau beberapa lapisan. Sonikator Hielscher menciptakan kavitasi akustik yang intens, dengan gelombang ultrasonik berkerapatan energi tinggi yang menghasilkan gelembung mikro berenergi tinggi dalam medium cair. Gelembung yang runtuh ini menciptakan gaya geser yang memisahkan lapisan grafit oksida, sehingga secara efektif mengeksfoliasinya menjadi lembaran nano grafena oksida. Manfaatkan teknologi ultrasonik berkinerja tinggi untuk meningkatkan aplikasi berbasis grafena oksida Anda ke tingkat berikutnya!

Eksfoliasi Ultrasonik Grafena Oksida

Grafena oksida larut dalam air, bersifat amfifilik, tidak beracun, dapat terurai secara hayati, dan dapat dengan mudah didispersikan menjadi koloid yang stabil. Eksfoliasi dan dispersi ultrasonik merupakan metode yang sangat efisien, cepat, dan hemat biaya untuk menyintesis, mendispersikan, dan memfungsionalisasi grafena oksida pada skala industri. Dalam pemrosesan hilir, pendispersi ultrasonik menghasilkan komposit grafena oksida-polimer berkinerja tinggi.

Keunggulan Eksfoliasi Ultrasonik

Eksfoliasi ultrasonik menawarkan beberapa keunggulan, termasuk kesederhanaan, skalabilitas, dan keramahan lingkungan, karena biasanya tidak memerlukan bahan kimia keras atau pemrosesan yang kompleks. Selain itu, teknik ini memungkinkan pengendalian ukuran dan ketebalan lembaran nano grafena oksida secara presisi, yang sangat penting untuk menyesuaikan sifatnya dalam berbagai aplikasi.

Video ini menunjukkan pencampuran dan pendispersian grafit secara ultrasonik dalam 250mL resin epoksi (Toolcraft L) menggunakan homogenizer ultrasonik (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics memproduksi peralatan untuk mendispersikan grafit, grafena, nanotabung karbon, kawat nano, atau bahan pengisi di laboratorium maupun dalam proses produksi bervolume tinggi. Aplikasi umumnya meliputi pendispersian material nano dan material mikro selama proses fungsionalisasi atau pendispersian ke dalam resin atau polimer.

Protokol: Eksfoliasi Ultrasonik Grafena Oksida

Metode eksfoliasi merupakan faktor kunci dalam mengendalikan ukuran lembaran nano grafena oksida (GO). Berkat parameter prosesnya yang dapat dikendalikan secara presisi, eksfoliasi ultrasonik merupakan teknik delaminasi yang paling banyak digunakan untuk produksi grafena dan grafena oksida berkualitas tinggi.
Tersedia berbagai protokol untuk eksfoliasi ultrasonik grafena oksida dari grafit oksida. Berikut adalah contoh protokol eksfoliasi ultrasonik grafena oksida:
Serbuk grafit oksida dicampurkan ke dalam larutan KOH berair dengan nilai pH 10. Untuk eksfoliasi dan dispersi berikutnya, digunakan ultrasonikator tipe probe UP200St (200W). Setelah itu, ion K+ dilekatkan pada bidang basal grafena untuk menginduksi proses penuaan. Penuaan dilakukan melalui evaporasi putar (2 h). Untuk menghilangkan kelebihan ion K+, serbuk dicuci dan disentrifugasi beberapa kali.
Campuran yang diperoleh disentrifugasi dan dikeringbekukan, sehingga serbuk grafena oksida yang dapat didispersikan mengendap.
Pembuatan pasta grafena oksida konduktif: Serbuk grafena oksida dapat didispersikan dalam dimetilformamida (DMF) dengan sonikasi untuk menghasilkan pasta konduktif. (Han et al.2014)

Eksfoliasi ultrasonik banyak digunakan untuk menghasilkan lembaran nano grafena dan grafena oksida. Sistem ultrasonik Hielscher menawarkan teknik sintesis grafena yang sangat efisien, hemat biaya, dan cepat, yang digunakan untuk aliran slurry berkapasitas besar dan untuk produksi massal grafena.
Sumber gambar: 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.

Mekanisme eksfoliasi ultrasonik grafena oksida
(Gambar: Potts et al. 2011)

Fungsionalisasi Ultrasonik Grafena Oksida

Sonikasi berhasil digunakan untuk memasukkan grafena oksida (GO) ke dalam polimer dan komposit.
Contoh:

komposit mikrosfer grafena oksida-TiO2
komposit polistirena-magnetit-grafena oksida (berstruktur inti–cangkang)
komposit polistirena-grafena oksida tereduksi
komposit inti–cangkang polistirena/grafena oksida berlapis serat nano polianilina (PANI-PS/GO)
grafena oksida terinterkalasi polistirena
grafena oksida yang dimodifikasi dengan p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene

Aplikasi Grafena Oksida yang Dihasilkan melalui Eksfoliasi Ultrasonik

Grafena oksida yang dihasilkan melalui eksfoliasi ultrasonik memiliki aplikasi yang luas di berbagai bidang. Dalam elektronika, bahan ini digunakan pada film konduktif fleksibel dan sensor; dalam penyimpanan energi, bahan ini meningkatkan kinerja baterai dan superkapasitor. Sifat antibakteri grafena oksida menjadikannya bernilai dalam aplikasi biomedis, sementara luas permukaannya yang tinggi dan gugus fungsionalnya bermanfaat dalam katalisis dan remediasi lingkungan. Secara keseluruhan, eksfoliasi ultrasonik memfasilitasi produksi grafena oksida berkualitas tinggi secara efisien untuk digunakan dalam teknologi mutakhir.

Pelajari cara menghasilkan grafena lapisan tunggal berkualitas tinggi melalui eksfoliasi ultrasonik menggunakan sonikator tipe probe berdaya tinggi. Sonikasi merupakan metode yang mudah, efisien, dan dapat ditingkatkan skalanya untuk menghasilkan dispersi grafena dengan rendemen tinggi dan kualitas lembaran yang sangat baik.

Sonikator untuk Pemrosesan Grafena dan Grafena Oksida

Hielscher Ultrasonics menawarkan sistem ultrasonik berdaya tinggi untuk mengeksfoliasi, mendispersikan, dan memproses grafena serta grafena oksida. Prosesor ultrasonik yang andal dan reaktor yang canggih memberikan pengendalian presisi, sehingga proses ultrasonik dapat disesuaikan dengan sasaran yang diinginkan.
Salah satu parameter penting adalah amplitudo ultrasonik, yang menentukan pemuaian dan penyusutan probe ultrasonik akibat getaran. Ultrasonikator industri Hielscher menghasilkan amplitudo tinggi hingga 200µm, dengan pengoperasian terus-menerus 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia probe ultrasonik yang dibuat khusus. Semua prosesor dapat disesuaikan secara presisi dengan kondisi proses dan dipantau melalui perangkat lunak bawaan, sehingga menjamin keandalan, kualitas yang konsisten, dan hasil yang dapat direproduksi.
Sonikator Hielscher memiliki konstruksi yang kokoh dan dapat beroperasi terus-menerus dalam lingkungan kerja berat, sehingga sonikasi menjadi teknologi produksi pilihan untuk pembuatan grafena, grafena oksida, dan material grafitik dalam skala besar.
Beragam ultrasonikator dan aksesori, termasuk sonotrode serta reaktor dengan berbagai ukuran dan geometri, memungkinkan pemilihan kondisi dan faktor reaksi yang optimal, seperti reagen, masukan energi ultrasonik, tekanan, suhu, dan laju alir, untuk mencapai kualitas tertinggi. Reaktor ultrasonik Hielscher bahkan dapat diberi tekanan hingga beberapa ratus barg, sehingga memungkinkan sonikasi pasta yang sangat kental dengan viskositas melebihi 250.000 centipoise.
Berkat faktor-faktor tersebut, delaminasi dan eksfoliasi ultrasonik mengungguli teknik konvensional.

Untuk mengetahui lebih lanjut tentang sintesis, dispersi, dan fungsionalisasi grafena secara ultrasonik, silakan klik di sini:

Fakta yang Perlu Diketahui

Ultrasonik dan Kavitasi: Bagaimana Grafit Dieksfoliasi menjadi Grafena Oksida menggunakan Sonikasi?

Eksfoliasi ultrasonik grafit oksida (GrO) didasarkan pada gaya geser tinggi yang ditimbulkan oleh kavitasi akustik. Kavitasi akustik timbul akibat siklus tekanan tinggi / tekanan rendah yang bergantian, yang dihasilkan oleh kopling gelombang ultrasonik berdaya tinggi dalam cairan. Selama siklus tekanan rendah, terbentuk rongga atau gelembung vakum yang sangat kecil, yang membesar seiring berulangnya siklus tekanan rendah. Ketika gelembung vakum mencapai ukuran yang membuatnya tidak dapat menyerap energi lagi, gelembung tersebut runtuh dengan dahsyat selama siklus tekanan tinggi. Implosi gelembung menghasilkan gaya geser kavitasi dan gelombang tegangan, suhu ekstrem hingga 6000K, laju pendinginan ekstrem di atas 10¹⁰K/s, tekanan sangat tinggi hingga 2000atm, perbedaan tekanan ekstrem, serta semburan cairan dengan kecepatan hingga 1000km/h (∼280m/s).
Gaya-gaya yang intens tersebut bekerja pada tumpukan grafit, yang terdelaminasi menjadi grafena oksida dengan satu atau beberapa lapisan serta lembaran nano grafena murni.

Apa Itu Grafena Oksida?

Grafena oksida (GO) disintesis dengan mengeksfoliasi grafit oksida (GrO). Grafit oksida merupakan material 3D yang terdiri atas jutaan lapisan grafena dengan oksigen yang terinterkalasi, sedangkan grafena oksida merupakan grafena dengan satu atau beberapa lapisan yang teroksigenasi pada kedua sisinya.
Grafena oksida dan grafena berbeda dalam karakteristik berikut: grafena oksida bersifat polar, sedangkan grafena bersifat nonpolar. Grafena oksida bersifat hidrofilik, sedangkan grafena bersifat hidrofobik.
Artinya, grafena oksida larut dalam air, bersifat amfifilik, tidak beracun, dapat terurai secara hayati, dan membentuk suspensi koloid yang stabil. Permukaan grafena oksida mengandung gugus epoksi, hidroksil, dan karboksil, yang dapat berinteraksi dengan kation dan anion. Berkat struktur hibrida organik–anorganik yang unik dan sifat-sifatnya yang luar biasa, komposit GO–polimer menawarkan potensi tinggi untuk beragam aplikasi industri. (Tolasz et al. 2014)

Apa Itu Grafena Oksida Tereduksi?

Grafena oksida tereduksi (rGO) dihasilkan melalui reduksi grafena oksida secara ultrasonik, kimia, atau termal. Selama tahap reduksi, sebagian besar gugus fungsional yang mengandung oksigen pada grafena oksida dihilangkan, sehingga grafena oksida tereduksi (rGO) yang dihasilkan memiliki karakteristik yang sangat mirip dengan grafena murni. Namun, grafena oksida tereduksi (rGO) tidak bebas cacat dan tidak murni seperti grafena murni.

Literatur/Referensi

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.