Ossido di grafene – Esfoliazione e dispersione a ultrasuoni

L’esfoliazione a ultrasuoni è una tecnica ampiamente utilizzata per produrre ossido di grafene scomponendo l’ossido di grafite in sottili fogli di grafene a uno o pochi strati. I sonicatori Hielscher generano un’intensa cavitazione acustica, in cui onde ultrasoniche ad alta densità energetica generano microbolle ad alta energia in un mezzo liquido. Il collasso di queste bolle crea forze di taglio che separano gli strati di ossido di grafite, esfoliandoli efficacemente in nanofogli di ossido di grafene. Sfruttate gli ultrasuoni ad alte prestazioni per portare la vostra applicazione a base di ossido di grafene a un livello superiore!

Esfoliazione a ultrasuoni dell’ossido di grafene

L’ossido di grafene è solubile in acqua, anfifilico, non tossico, biodegradabile e può essere facilmente disperso in colloidi stabili. L’esfoliazione e la dispersione a ultrasuoni sono un metodo molto efficiente, rapido ed economicamente vantaggioso per sintetizzare, disperdere e funzionalizzare l’ossido di grafene su scala industriale. Nelle lavorazioni successive, i dispersori a ultrasuoni producono compositi ossido di grafene–polimero ad alte prestazioni.

Vantaggi dell’esfoliazione a ultrasuoni

L’esfoliazione a ultrasuoni offre diversi vantaggi, tra cui semplicità, scalabilità e rispetto dell’ambiente, poiché in genere non richiede sostanze chimiche aggressive o lavorazioni complesse. Inoltre, consente un controllo preciso delle dimensioni e dello spessore dei nanofogli di ossido di grafene, fondamentale per regolarne le proprietà nelle diverse applicazioni.

Il video mostra la miscelazione e la dispersione a ultrasuoni della grafite in 250mL di resina epossidica (Toolcraft L), utilizzando un omogeneizzatore a ultrasuoni (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics produce apparecchiature per disperdere grafite, grafene, nanotubi di carbonio, nanofili o cariche in laboratorio o nei processi di produzione su larga scala. Le applicazioni tipiche comprendono la dispersione di nanomateriali e micromateriali durante il processo di funzionalizzazione o la loro dispersione in resine o polimeri.

Protocollo: esfoliazione a ultrasuoni dell’ossido di grafene

Il metodo di esfoliazione svolge un ruolo fondamentale nel controllo delle dimensioni dei nanofogli di ossido di grafene (GO). Grazie ai suoi parametri di processo controllabili con precisione, l’esfoliazione a ultrasuoni è la tecnica di delaminazione più utilizzata per la produzione di grafene e ossido di grafene di alta qualità.
Sono disponibili diversi protocolli per l’esfoliazione a ultrasuoni dell’ossido di grafene a partire dall’ossido di grafite. Di seguito è riportato un esempio di protocollo per l’esfoliazione a ultrasuoni dell’ossido di grafene:
La polvere di ossido di grafite viene miscelata in una soluzione acquosa di KOH con un valore di pH pari a 10. Per l’esfoliazione e la successiva dispersione viene utilizzato il sonicatore a sonda UP200St (200W). Successivamente, gli ioni K+ vengono legati al piano basale del grafene per indurre un processo di invecchiamento. L’invecchiamento avviene mediante evaporazione rotante (2 h). Per rimuovere gli ioni K+ in eccesso, la polvere viene lavata e centrifugata più volte.
La miscela ottenuta viene centrifugata e liofilizzata, in modo da far precipitare una polvere di ossido di grafene disperdibile.
Preparazione di una pasta conduttiva di ossido di grafene: la polvere di ossido di grafene può essere dispersa in dimetilformammide (DMF) mediante sonicazione per produrre una pasta conduttiva. (Han et al.2014)

L’esfoliazione a ultrasuoni è ampiamente utilizzata per produrre nanofogli di grafene e ossido di grafene. I sistemi a ultrasuoni Hielscher si distinguono come tecnica di sintesi del grafene molto efficiente, economicamente vantaggiosa e rapida; vengono utilizzati per trattare grandi flussi di sospensioni e per la produzione di massa del grafene.
Fonte dell’immagine: 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.

Il meccanismo dell’esfoliazione a ultrasuoni dell’ossido di grafene
(Fig.: Potts et al. 2011)

Funzionalizzazione a ultrasuoni dell’ossido di grafene

La sonicazione viene utilizzata con successo per incorporare l’ossido di grafene (GO) in polimeri e compositi.
Esempi:

composito di ossido di grafene e microsfere di TiO2
composito polistirene–magnetite–ossido di grafene (con struttura nucleo–guscio)
compositi di polistirene e ossido di grafene ridotto
composito nucleo–guscio di polistirene/ossido di grafene (PANI-PS/GO) rivestito con nanofibre di polianilina
ossido di grafene intercalato con polistirene
ossido di grafene modificato con p-fenilendiammina-4vinilbenzene-polistirene

Applicazioni dell’ossido di grafene prodotto mediante esfoliazione a ultrasuoni

L’ossido di grafene prodotto mediante esfoliazione a ultrasuoni trova ampie applicazioni in diversi settori. In elettronica viene utilizzato in film conduttivi flessibili e sensori; nell’accumulo di energia migliora le prestazioni di batterie e supercondensatori. Le proprietà antibatteriche dell’ossido di grafene lo rendono prezioso nelle applicazioni biomediche, mentre la sua elevata area superficiale e i suoi gruppi funzionali offrono vantaggi nella catalisi e nel risanamento ambientale. Nel complesso, l’esfoliazione a ultrasuoni facilita la produzione efficiente di ossido di grafene di alta qualità da utilizzare nelle tecnologie all’avanguardia.

Scoprite come produrre grafene monostrato di alta qualità mediante esfoliazione a ultrasuoni con sonicatori a sonda ad alta potenza. La sonicazione è un metodo semplice, efficiente e scalabile per produrre dispersioni di grafene con rese elevate e fogli di qualità eccellente.

Sonicatori per la lavorazione del grafene e dell’ossido di grafene

Hielscher Ultrasonics offre sistemi a ultrasuoni ad alta potenza per esfoliare, disperdere e lavorare il grafene e l’ossido di grafene. Processori a ultrasuoni affidabili e reattori sofisticati garantiscono un controllo preciso, consentendo di regolare i processi a ultrasuoni in funzione degli obiettivi desiderati.
Un parametro fondamentale è l’ampiezza ultrasonica, che determina l’espansione e la contrazione della sonda a ultrasuoni durante la vibrazione. I sonicatori industriali Hielscher erogano ampiezze elevate, fino a 200µm, funzionando in continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonde a ultrasuoni personalizzate. Tutti i processori possono essere adattati con precisione alle condizioni di processo e monitorati tramite il software integrato, garantendo affidabilità, qualità costante e risultati riproducibili.
I sonicatori Hielscher sono robusti e possono funzionare in continuo in ambienti di lavoro gravosi, rendendo la sonicazione la tecnologia di produzione preferita per la preparazione su larga scala di grafene, ossido di grafene e materiali grafitici.
Un’ampia gamma di sonicatori e accessori, tra cui sonotrodi e reattori di varie dimensioni e geometrie, consente di selezionare condizioni e fattori di reazione ottimali, come reagenti, apporto di energia ultrasonica, pressione, temperatura e portata, per ottenere la massima qualità. I reattori a ultrasuoni Hielscher possono essere pressurizzati persino fino a diverse centinaia di barg, consentendo la sonicazione di paste altamente viscose con viscosità superiori a 250.000 centipoise.
Grazie a questi fattori, la delaminazione e l’esfoliazione a ultrasuoni superano le tecniche convenzionali.

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Informazioni utili

Ultrasuoni e cavitazione: come viene esfoliata la grafite in ossido di grafene mediante sonicazione?

L’esfoliazione a ultrasuoni dell’ossido di grafite (GrO) si basa sull’elevata forza di taglio indotta dalla cavitazione acustica. La cavitazione acustica si genera grazie all’alternanza di cicli ad alta pressione / bassa pressione, prodotti dall’accoppiamento di potenti onde ultrasoniche in un liquido. Durante i cicli a bassa pressione si formano piccolissime cavità o bolle di vuoto, che crescono nel corso dei successivi cicli a bassa pressione. Quando le bolle di vuoto raggiungono dimensioni tali da non poter assorbire ulteriore energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. L’implosione delle bolle produce forze di taglio dovute alla cavitazione e onde di sollecitazione, temperature estreme fino a 6000K, velocità di raffreddamento estreme superiori a 10¹⁰K/s, pressioni molto elevate fino a 2000atm, differenze di pressione estreme e getti di liquido con velocità fino a 1000km/h (∼280m/s).
Queste intense forze agiscono sugli strati impilati di grafite, che vengono delaminati in nanofogli di ossido di grafene e di grafene incontaminato a uno o pochi strati.

Che cos’è l’ossido di grafene?

L’ossido di grafene (GO) viene sintetizzato esfoliando l’ossido di grafite (GrO). Mentre l’ossido di grafite è un materiale 3D costituito da milioni di strati di grafene con ossigeno intercalato, l’ossido di grafene è un grafene a uno o pochi strati ossigenato su entrambi i lati.
L’ossido di grafene e il grafene differiscono tra loro per le seguenti caratteristiche: l’ossido di grafene è polare, mentre il grafene è apolare. L’ossido di grafene è idrofilo, mentre il grafene è idrofobo.
Ciò significa che l’ossido di grafene è solubile in acqua, anfifilico, non tossico, biodegradabile e forma sospensioni colloidali stabili. La superficie dell’ossido di grafene contiene gruppi epossidici, ossidrilici e carbossilici, disponibili per interagire con cationi e anioni. Grazie alla loro particolare struttura ibrida organica–inorganica e alle loro proprietà eccezionali, i compositi GO–polimero offrono un elevato potenziale per molteplici applicazioni industriali. (Tolasz et al. 2014)

Che cos’è l’ossido di grafene ridotto?

L’ossido di grafene ridotto (rGO) viene prodotto mediante riduzione ultrasonica, chimica o termica dell’ossido di grafene. Durante la fase di riduzione viene rimossa la maggior parte dei gruppi funzionali contenenti ossigeno dell’ossido di grafene, in modo che l’ossido di grafene ridotto (rGO) risultante presenti caratteristiche molto simili a quelle del grafene incontaminato. Tuttavia, l’ossido di grafene ridotto (rGO) non è privo di difetti e incontaminato come il grafene puro.

Bibliografia/Riferimenti

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.
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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.