Esfoliazione ultrasonica del grafene idrodispersibile

• I nanosheet di grafene monostrato e bistrato possono essere prodotti rapidamente mediante esfoliazione a ultrasuoni con un'elevata produttività e a basso costo.
• Il grafene esfoliato a ultrasuoni può essere funzionalizzato con biopolimeri per ottenere grafene idrodispersibile.
• Con la cavitazione a ultrasuoni, il grafene sintetizzato può essere ulteriormente trasformato in una dispersione stabile a base di acqua.

Esfoliazione a ultrasuoni di grafene di alta qualità

L'esfoliazione a ultrasuoni è un metodo affidabile per produrre strati di grafene (mono-, bi- e pochi strati di grafene) da scaglie o particelle di grafite. Mentre altre tecniche di esfoliazione comuni, come i mulini a sfere e a rulli o i miscelatori ad alto taglio, sono legate a una bassa qualità e all'uso di reagenti e solventi aggressivi, il metodo di esfoliazione a ultrasuoni convince per l'alta qualità della produzione, l'elevata capacità di processo e le condizioni di lavorazione delicate.
La cavitazione a ultrasuoni crea intense forze di taglio, che separano gli strati di grafite impilati in mono-, bi- e pochi strati di grafene privo di difetti.

Fogli di grafene idrodispersibili tramite sonicazione

L'ultrasonicazione è una procedura efficace e dai risultati ripetibili per districare i nanotubi di carbonio in acqua o in solventi organici.[/caption]In condizioni normali, il grafene è difficilmente disperdibile in acqua e forma aggregati e agglomerati quando viene disperso in un mezzo acquoso. Poiché i sistemi acquosi presentano i vantaggi significativi di essere poco costosi, non tossici e rispettosi dell'ambiente, i sistemi di grafene a base acquosa sono molto interessanti per i produttori di grafene e per l'industria a valle.
Per ottenere nanosheet di grafene idrodispersibili, il grafene esfoliato a ultrasuoni viene modificato con polisaccaridi / biopolimeri come pullulan, chitosano, alginato, gelatina o gomma arabica.

Protocollo di esfoliazione diretta della grafite mediante ultrasuoni

Il pullulano non ionico e l'alginato anionico (1,0 g) sono stati sciolti separatamente in 20 ml di acqua distillata, mentre il chitosano cationico (0,4 g) è stato sciolto in 20 ml di acqua distillata con l'1 % di acido acetico. La polvere di grafite è stata dispersa nelle soluzioni acquose di biopolimeri e trattata con un ultrasuonatore a sonda UP200S (potenza massima 200 W, frequenza 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Germania) dotato di un sonotrodo in titanio (micropunta S3, diametro della punta 3 mm, ampiezza massima 210µm, densità di potenza acustica o intensità superficiale 460 W cm-2) alle seguenti condizioni: 0,5 cicli e 50% di ampiezza, per un periodo di 10, 20, 30 e 60 minuti, rispettivamente. I risultati migliori sono stati ottenuti con una sonicazione di 30 minuti. La sonicazione è stata applicata alla potenza di 16,25 W per 30 minuti, con un consumo energetico (energia prodotta per unità di volume) di 731 Ws ml-1.
Successivamente, le miscele sono state centrifugate a 1500 rpm per 60 minuti per rimuovere le particelle di grafite non esfoliate, quindi lavate 5 volte e nuovamente centrifugate a 5000 rpm per 20 minuti per rimuovere i biopolimeri in eccesso. Le soluzioni grigio scuro risultanti sono state essiccate sotto vuoto a 40ºC fino a quando non si è verificata alcuna perdita di massa. Le polveri di polimero-grafene ottenute sono state ridisperse in acqua (1 mg ml-1 per pullulano e chitosano; 0,18 mg ml-1 per alginato) per la caratterizzazione. I fogli di grafene ottenuti con l'ultrasuonazione assistita da pullulan, alginato e chitosano sono stati indicati rispettivamente come pull-G, alg-G e chit-G.
Dei tre sistemi, il pullulano e il chitosano sono stati più efficaci nell'esfoliazione della grafite rispetto all'alginato. Questo metodo ha prodotto fogli di grafene esfoliati a uno, due e pochi strati, con solo pochi difetti laterali (bordi). L'adsorbimento dei biopolimeri sulla superficie del grafene consente una stabilità di lunga durata (più di 6 mesi) della dispersione acquosa.
(cfr. Unalan et al. 2015)

Una sequenza ad alta velocità (da a a f) di fotogrammi che illustrano l'esfoliazione sono-meccanica di un fiocco di grafite in acqua utilizzando l'UP200S, un ultrasuonatore da 200 W con sonotrodo da 3 mm. Le frecce mostrano il luogo della spaccatura (esfoliazione) con le bolle di cavitazione che penetrano nella spaccatura.
(studio e immagini: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasuonatori per l'esfoliazione del grafene

I processori a ultrasuoni ad alta potenza Hielscher sono utilizzati in tutto il mondo per l'esfoliazione e la dispersione di grafite e grafene. I nostri dispersori a ultrasuoni sono disponibili da laboratorio e da banco fino a unità di produzione industriale complete. Oltre alla robustezza, al funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7 e alla bassa manutenzione, gli ultrasonori Hielscher convincono per l'elevata facilità di lavorazione e la scalabilità lineare.
I processi possono essere facilmente testati e ottimizzati in laboratorio. In seguito, tutti i risultati del processo possono essere scalati in modo completamente lineare fino al livello di produzione commerciale. Ciò rende la sonicazione un metodo di produzione efficace ed efficiente per la produzione di alti volumi di fogli di grafene di alta qualità.
I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. I reattori a ultrasuoni abbinati garantiscono la possibilità di una produzione di massa affidabile e sicura di nanosheet di grafene di alta qualità e di dispersioni stabili di nanosheet.

La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni di Hielscher consente di operare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori: