Ultrasonic Exfoliation dari Water-Dispersible Graphene

• Mono dan bi-layer graphene nanosheets dapat diproduksi dengan cepat melalui pengelupasan ultrasonik dengan throughput yang tinggi dan dengan biaya rendah.
• Ultrasonikasi exfoliated graphene dapat difungsikan dengan biopolimer untuk mendapatkan graphene yang dapat terdispersi air.
• Dengan kavitasi ultrasonik, graphene tersintesis dapat diproses lebih lanjut menjadi dispersi berbasis air yang stabil.

Ultrasonic Exfoliation dari High-Quality Graphene

Ultrasonication adalah metode yang andal untuk menghasilkan lapisan graphene (graphene mono, bi- dan beberapa lapisan) dari serpihan grafit atau partikel. Sementara teknik pengelupasan umum lainnya seperti penggilingan ball-and roll mills atau high-shear mixer terkait dengan kualitas rendah dan penggunaan pereaksi dan pelarut yang agresif, metode pengelupasan ultrasonik menyakinkan oleh outputnya yang berkualitas tinggi, kapasitas proses tinggi dan kondisi pemrosesan yang ringan.
Kavitasi ultrasonik menciptakan gaya geser yang kuat, yang memisahkan lapisan grafit yang ditumpuk menjadi mono-, bi- dan beberapa lapisan graphene bebas cacat.

Lembaran Graphene yang Dapat Tersebar Air melalui Sonikasi

Ultrasonikasi adalah prosedur yang efektif dengan hasil berulang untuk menguraikan carbonnanotube dalam air atau pelarut organik. [/keterangan] Dalam kondisi normal, graphene hampir tidak dapat tersebar dalam air dan membentuk agregat dan aglomerat ketika tersebar dalam media berair. Karena sistem berair memiliki keunggulan yang signifikan karena murah, tidak beracun, ramah lingkungan, sistem graphene berbasis air sangat menarik bagi produsen graphene dan industri hilir.
Untuk mendapatkan water-dispersable graphene nanosheets, graphene pengelupasan ultrasonik dimodifikasi dengan polisakarida / biopolimer seperti pullulan, chitosan, alginate, gelatine or gum arabic

Protokol Pengelupasan Langsung Grafit menggunakan Ultrasonik

Pullulan non-ionik dan alginat anionik (1,0 g) dilarutkan secara terpisah dalam 20 ml air suling, sedangkan kitosan kationik (0,4 g) dilarutkan dalam 20 ml air suling dengan 1% asam asetat. Bubuk grafit disebarkan dalam larutan biopolimer berair dan diolah menggunakan ultrasonicator tipe probe UP200S (daya maksimum 200 W, frekuensi 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Jerman) dilengkapi dengan sonotrode titanium (ujung mikro S3, diameter ujung 3 mm, amplitudo maksimum 210μm, kepadatan daya akustik atau intensitas permukaan 460 W cm-2) dalam kondisi berikut: 0,5 siklus dan amplitudo 50%, untuk jangka waktu masing-masing 10, 20, 30, dan 60 menit. Hasil terbaik diperoleh pada sonikasi 30 menit. Sonikasi diterapkan pada daya 16,25 W selama 30 menit, dengan konsumsi energi (output energi per satuan volume) sebesar 731 Ws ml-1.
Selanjutnya, campuran disentrifugasi pada 1500 rpm selama 60 menit untuk menghilangkan partikel grafit yang tidak terkelupas dan kemudian dicuci 5 kali dan disentrifugasi lagi pada 5000 rpm selama 20 menit untuk menghilangkan kelebihan biopolimer. Larutan abu-abu gelap yang dihasilkan dikeringkan dengan vakum pada suhu 40ºC sampai tidak ada kehilangan massa. Bubuk polimer-graphene yang dihasilkan didispersikan kembali dalam air (1 mg ml-1 untuk pullulan dan kitosan; 0,18 mg ml-1 untuk alginat) untuk karakterisasi. Lembaran graphene yang diperoleh dengan ultrasonikasi pullulan-, alginat-, dan kitosan masing-masing diindikasikan sebagai pull-G, alg-G, dan chit-G.
Dari ketiga sistem tersebut, pullulan dan chitosan lebih efektif dalam pengelupasan grafit daripada alginat. Metode ini menghasilkan lembaran graphene mono, bi, dan lapisan tipis yang sedikit terkelupas hanya dengan defek lateral (tepi) yang rendah. Adsorpsi biopolimer pada permukaan graphene memberikan stabilitas tahan lama (lebih dari 6 bulan) dari dispersi berair.
(lih. Unalan et al. 2015)

Urutan bingkai berkecepatan tinggi (dari a hingga f) yang menggambarkan pengelupasan sono-mekanis serpihan grafit di dalam air menggunakan UP200S, ultrasonicator 200W dengan sonotrode 3 mm. Panah menunjukkan tempat pemisahan (pengelupasan kulit) dengan gelembung kavitasi menembus belah.
(studi dan gambar: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicators untuk Pengelupasan Graphene

Prosesor ultrasonik berdaya tinggi Hielscher digunakan di seluruh dunia untuk keberhasilan pengelupasan dan dispersi grafit dan graphene. Disperser ultrasonik kami tersedia dari lab dan bench-top hingga unit produksi industri penuh. Selain ketahanan, operasi 24/7 dan perawatan rendah, ultrasonicators Hielscher meyakinkan dengan kemudahan pemrosesan yang tinggi dan skalabilitas linier.
Proses dapat dengan mudah diuji dan dioptimalkan di laboratorium. Setelah itu, semua hasil proses dapat ditingkatkan secara linier ke tingkat produksi komersial. Hal ini membuat sonication menjadi metode produksi yang efektif dan efisien untuk volume tinggi dari lembaran graphene berkualitas tinggi.
Prosesor ultrasonik industri Hielscher Ultrasonics dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan terus menerus dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia. Reaktor ultrasound yang cocok memastikan kemampuan produksi massal yang andal dan aman dari lembaran nano graphene berkualitas tinggi serta dispersi lembaran nano yang stabil.

Ketahanan peralatan ultrasonik Hielscher's memungkinkan untuk operasi 24/7 untuk tugas yang berat dan untuk lingkungan yang menuntut.
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: