Esfoliazione a ultrasuoni del grafene disperdibile in acqua

• I nanofogli di grafene monostrato e bistrato possono essere prodotti rapidamente mediante esfoliazione a ultrasuoni, con un’elevata capacità di trattamento e a basso costo.
• Il grafene esfoliato mediante ultrasuoni può essere funzionalizzato con biopolimeri per ottenere grafene disperdibile in acqua.
• Mediante cavitazione ultrasonica, il grafene sintetizzato può essere ulteriormente trattato per ottenere una dispersione stabile a base acquosa.

Esfoliazione a ultrasuoni di grafene di alta qualità

La sonicazione è un metodo affidabile per produrre strati di grafene (grafene monostrato, bistrato e a pochi strati) da scaglie o particelle di grafite. Mentre altre tecniche comuni di esfoliazione, come i mulini a sfere e a rulli o i miscelatori ad alto taglio, sono associate a una bassa qualità e all’impiego di reagenti e solventi aggressivi, il metodo di esfoliazione a ultrasuoni si distingue per l’elevata qualità del prodotto ottenuto, l’elevata capacità di trattamento e le condizioni di lavorazione blande.
La cavitazione ultrasonica genera intense forze di taglio, che separano gli strati sovrapposti di grafite in grafene monostrato, bistrato e a pochi strati privo di difetti.

Fogli di grafene disperdibili in acqua mediante sonicazione

La sonicazione è una procedura efficace, con 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 vantaggi significativi, essendo economici, 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 nanofogli di grafene disperdibili in acqua, il grafene esfoliato mediante ultrasuoni viene modificato con polisaccaridi / biopolimeri come pullulano, 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 disciolti separatamente in 20 ml di acqua distillata, mentre il chitosano cationico (0,4 g) è stato disciolto in 20 ml di acqua distillata con acido acetico all’1 wt%. La polvere di grafite è stata dispersa nelle soluzioni acquose di biopolimeri e trattata con un sonicatore 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) nelle seguenti condizioni: ciclo 0,5 e ampiezza del 50%, per un periodo rispettivamente di 10, 20, 30 e 60 min. I migliori risultati sono stati ottenuti con 30min di sonicazione. La sonicazione è stata applicata alla potenza di 16,25 W per 30 minuti, con un consumo energetico (energia erogata per unità di volume) di 731 Ws ml-1.
Successivamente, le miscele sono state centrifugate a 1500 rpm per 60 min per rimuovere le particelle di grafite non esfoliate, quindi lavate 5 volte e nuovamente centrifugate a 5000 rpm per 20 min per rimuovere i biopolimeri in eccesso. Le soluzioni risultanti, di colore grigio scuro, sono state essiccate sotto vuoto a 40ºC fino a quando non si è più osservata alcuna perdita di massa. Le polveri di polimero–grafene risultanti 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 mediante sonicazione assistita da pullulano, alginato e chitosano sono stati indicati rispettivamente come pull-G, alg-G e chit-G.
Dei tre sistemi, pullulano e chitosano si sono dimostrati più efficaci dell’alginato nell’esfoliazione della grafite. Questo metodo ha prodotto fogli esfoliati di grafene monostrato, bistrato e a pochi strati con soltanto una ridotta presenza di difetti laterali (ai bordi). L’adsorbimento dei biopolimeri sulla superficie del grafene conferisce alla dispersione acquosa una stabilità duratura (oltre 6 mesi).
(cfr. Unalan et al. 2015)

Una sequenza ad alta velocità di fotogrammi (da a a f) che illustra l’esfoliazione sonomeccanica di una scaglia di grafite in acqua utilizzando l’UP200S, un sonicatore da 200W con sonotrodo da 3 mm. Le frecce indicano il punto di separazione (esfoliazione), con le bolle di cavitazione che penetrano nella fenditura.
(studio e immagini: © Tyurnina et al. 2020

Sonicatori per l’esfoliazione del grafene

I processori a ultrasuoni ad alta potenza Hielscher sono utilizzati in tutto il mondo per esfoliare e disperdere con successo grafite e grafene. I nostri dispersori a ultrasuoni sono disponibili in versioni da laboratorio e da banco fino a unità per la produzione interamente industriale. Oltre alla robustezza, al funzionamento 24/7 e alla ridotta manutenzione, i sonicatori Hielscher si distinguono per la grande facilità di trattamento e la scalabilità lineare.
I processi possono essere facilmente testati e ottimizzati in laboratorio. Successivamente, tutti i risultati di processo possono essere trasferiti in modo completamente lineare alla scala di produzione commerciale. Questo rende la sonicazione un metodo di produzione efficace ed efficiente per ottenere grandi volumi di fogli di grafene di alta qualità.
I processori industriali a ultrasuoni Hielscher Ultrasonics possono erogare ampiezze molto elevate. È possibile mantenere facilmente ampiezze fino a 200µm in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. Reattori a ultrasuoni adeguati garantiscono la possibilità di produrre in massa, in modo affidabile e sicuro, nanofogli di grafene di alta qualità e dispersioni stabili di nanofogli.

La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni di lavoro gravose e in ambienti impegnativi.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: