Graphenoxid – Exfoliatioun an Dispersioun mat Ultraschall

D’Ultraschallexfoliatioun ass eng wäit verbreet Technik fir Graphenoxid hierzestellen, andeems Graphitoxid an dënn Graphenblieder mat enger oder e puer Schichten opgespléckt gëtt. D’Ultraschallapparater vun Hielscher erzeugen eng intensiv akustesch Kavitatioun, bei där energiedicht Ultraschallwellen energieräich Mikroblosen an engem flëssege Medium erzeugen. Wann dës Blosen zesummefalen, entstinn Schéierkräften, déi d’Graphitoxidschichte vuneneen trennen an esou effektiv zu Graphenoxid-Nanoblieder exfoliéieren. Profitéiert vu leeschtungsstaarkem Ultraschall, fir Är Applikatioun op Basis vu Graphenoxid op den nächsten Niveau ze bréngen!

Exfoliatioun vu Graphenoxid mat Ultraschall

Graphenoxid ass waasserléislech, amphiphil, net gëfteg, biologesch ofbaubar a léisst sech einfach zu stabile Kolloiden dispergéieren. D’Exfoliatioun an d’Dispersioun mat Ultraschall sinn eng ganz effizient, séier a käschtegënschteg Method, fir Graphenoxid am industrielle Moossstaf ze synthetiséieren, ze dispergéieren an ze funktionaliséieren. Bei der uschléissender Veraarbechtung stellen Ultraschalldispergéierer héich performant Graphenoxid-Polymer-Kompositten hier.

Virdeeler vun der Ultraschallexfoliatioun

D’Ultraschallexfoliatioun bitt verschidde Virdeeler, dorënner Einfachheet, Skaléierbarkeet an Ëmweltfrëndlechkeet, well si typescherweis keng aggressiv Chemikalien oder komplex Veraarbechtung erfuerdert. Ausserdeem erméiglecht si eng präzis Kontroll vun der Gréisst an der Déckt vu Graphenoxid-Nanoblieder, wat entscheedend ass, fir hir Eegenschafte fir verschidden Applikatiounen unzepassen.

De Video weist d'Mëschen an d'Dispergéiere vu Graphit an 250mL Epoxyharz (Toolcraft L) mat engem Ultraschallhomogenisator (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics stellt Apparater hier, fir Graphit, Graphen, Kuelestoffnanoréier, Nanodréit oder Fëllstoffer am Labo oder a Produktiounsprozesser mat grousse Volummen ze dispergéieren. Typesch Uwendunge sinn d'Dispergéiere vun Nano- a Mikromaterialie wärend dem Funktionaliséierungsprozess oder hir Dispersioun an Harzer oder Polymeren.

Protokoll: Exfoliatioun vu Graphenoxid mat Ultraschall

Fir d’Gréisst vu Graphenoxid-Nanoblieder (GO) ze kontrolléieren, spillt d’Exfoliatiounsmethod eng Schlësselroll. Wéinst hire präzis kontrolléierbare Prozessparameteren ass d’Ultraschallexfoliatioun déi am wäitste verbreet Delaminatiounstechnik fir d’Produktioun vu qualitativ héichwäertegem Graphen a Graphenoxid.
Fir d’Exfoliatioun vu Graphenoxid aus Graphitoxid mat Ultraschall sti verschidde Protokoller zur Verfügung. Hei drënner fannt Dir e Beispillprotokoll fir d’Exfoliatioun vu Graphenoxid mat Ultraschall:
Graphitoxidpolver gëtt mat enger wässereger KOH-Léisung mam pH-Wäert 10 gemëscht. Fir d’Exfoliatioun an déi uschléissend Dispersioun gëtt den Ultraschallapparat mat Sond UP200St (200W) benotzt. Duerno gi K+-Ionen un der Basalfläch vum Graphen ugelaagert, fir en Alterungsprozess auszeléisen. D’Alterung gëtt duerch Rotatiounsverdampfung (2 h) erreecht. Fir iwwerschësseg K+-Ionen ze entfernen, gëtt de Polver e puer Mol gewäsch an zentrifugéiert.
Déi erhale Mëschung gëtt zentrifugéiert a gefréiergedréchent, soudatt en dispergéierbare Graphenoxidpolver ausfält.
Virbereedung vun enger leedfäeger Graphenoxidpast: De Graphenoxidpolver kann ënner Ultraschallbehandlung an Dimethylformamid (DMF) dispergéiert ginn, fir eng leedfäeg Past hierzestellen. (Han et al.2014)

D'Ultraschallexfoliatioun gëtt wäit verbreet agesat, fir Graphen-Nanoblieder a Graphenoxid hierzestellen. D'Ultraschallsystemer vun Hielscher iwwerzeegen als ganz effizient, käschtegënschteg a séier Technik fir d'Synthes vu Graphen; si gi fir grouss Suspensiounsstréim a fir d'Masseproduktioun vu Graphen benotzt.
Bildquell: 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.

De Mechanismus vun der Exfoliatioun vu Graphenoxid mat Ultraschall
(Bild: Potts et al. 2011)

Funktionaliséierung vu Graphenoxid mat Ultraschall

D’Ultraschallbehandlung gëtt erfollegräich agesat, fir Graphenoxid (GO) a Polymeren a Kompositten anzeschaffen.
Beispiller:

Graphenoxid-TiO2-Mikrokugelkomposit
Polystyrol-Magnetit-Graphenoxid-Komposit (mat Kär-Schuel-Struktur)
Kompositten aus Polystyrol a reduzéiertem Graphenoxid
Mat Polyanilin-Nanofasere beschichtete Polystyrol/Graphenoxid-Kär-Schuel-Komposit (PANI-PS/GO)
Graphenoxid mat interkaléiertem Polystyrol
Mat p-Phenylendiamin-4vinylbenzen-Polystyrol modifizéierte Graphenoxid

Applikatioune vu Graphenoxid, deen duerch Ultraschallexfoliatioun hiergestallt gëtt

Graphenoxid, deen duerch Ultraschallexfoliatioun hiergestallt gëtt, huet breet Asazméiglechkeeten a verschiddene Beräicher. An der Elektronik gëtt en a flexibele leedfäege Folien a Sensore benotzt; an der Energiespäicherung verbessert en d’Leeschtung vu Batterien a Superkondensatoren. Déi antibakteriell Eegenschafte vu Graphenoxid maachen en wäertvoll fir biomedizinesch Applikatiounen, wärend seng grouss Uewerfläch a seng funktionell Gruppe Virdeeler fir d’Katalys an d’Ëmweltsanéierung bidden. Insgesamt erliichtert d’Ultraschallexfoliatioun déi effizient Produktioun vu qualitativ héichwäertegem Graphenoxid fir den Asaz an de modernsten Technologien.

Léiert, wéi Dir héichwäertegt eenlagegt Graphen duerch Ultraschallexfoliatioun mat leeschtungsstaarke Sondenultraschallapparater hierstelle kënnt. D'Ultraschallbehandlung ass eng einfach, effizient a skaléierbar Method fir d'Hierstellung vu Graphendispersioune mat héijen Ausbezuelen an exzellenter Qualitéit vun de Graphenblieder.

Ultraschallapparater fir d’Veraarbechtung vu Graphen a Graphenoxid

Hielscher Ultrasonics bitt héichleeschtend Ultraschallsystemer fir d’Exfoliatioun, d’Dispersioun an d’Veraarbechtung vu Graphen a Graphenoxid. Zouverlässeg Ultraschallprozessoren an ausgeklügelt Reakteren erméiglechen eng präzis Kontroll, soudatt Ultraschallprozesser un déi gewënschten Ziler ugepasst kënne ginn.
Een entscheedende Parameter ass d’Ultraschallamplitud, déi d’Ausdeenung an d’Zesummenzéie vun der Ultraschallsond beim Schwénge bestëmmt. D’industriell Ultraschallapparater vun Hielscher liwweren héich Amplitudë vu bis zu 200µm a lafen dobäi kontinuéierlech am 24/7-Betrib. Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonde verfügbar. All Prozessore kënne präzis un d’Prozessbedéngungen ugepasst an iwwer déi integréiert Software iwwerwaacht ginn, wat Zouverlässegkeet, gläichbleiwend Qualitéit a reproduzéierbar Resultater garantéiert.
D’Ultraschallapparater vun Hielscher si robust a kënne kontinuéierlech ënner haarde Betribsbedéngunge schaffen, wat d’Ultraschallbehandlung zur bevorzugter Produktiounstechnologie fir d’Virbereedung vu Graphen, Graphenoxid a graphitesche Materialien a groussem Moossstaf mécht.
Eng breet Produktpalette vun Ultraschallapparater an Accessoiren, dorënner Sonotroden a Reakteren a verschiddene Gréissten a Geometrien, erlaabt et, optimal Reaktiounsbedéngungen a Facteure wéi Reagenzien, Ultraschallenergieandro, Drock, Temperatur a Volumenduerchfloss ze wielen, fir déi héchst Qualitéit ze erreechen. D’Ultraschallreaktere vun Hielscher kënne souguer bis op e puer honnert barg ënner Drock gesat ginn, wat d’Ultraschallbehandlung vun héichviskose Paste mat Viskositéite vun iwwer 250.000 Zentipoise erméiglecht.
Wéinst dëse Facteure sinn d’Delaminatioun an d’Exfoliatioun mat Ultraschall de konventionellen Techniken iwwerleeën.

Fir méi iwwer d’Synthes, d’Dispersioun an d’Funktionaliséierung vu Graphen mat Ultraschall gewuer ze ginn, klickt wgl. hei:

Wëssenswäert Fakten

Ultraschall a Kavitatioun: Wéi gëtt Graphit duerch Ultraschallbehandlung zu Graphenoxid exfoliéiert?

D’Exfoliatioun vu Graphitoxid (GrO) mat Ultraschall baséiert op der héijer Schéierkraaft, déi duerch akustesch Kavitatioun induzéiert gëtt. Akustesch Kavitatioun entsteet duerch ofwiesselend Héichdrock- an Nidderdrockzyklen, déi duerch d’Akopplung vu staarken Ultraschallwellen an eng Flëssegkeet erzeugt ginn. Wärend den Nidderdrockzyklen entsti ganz kleng Huelraim oder Vakuumblosen, déi am Laf vun den ofwiesselenden Nidderdrockzyklen wuessen. Wann d’Vakuumblosen eng Gréisst erreechen, bei där si keng Energie méi ophuele kënnen, fale si wärend engem Héichdrockzyklus hefteg zesummen. D’Implosioun vun de Blose féiert zu kavitatiounsbedéngte Schéierkräften a Spannungswellen, extremen Temperature vu bis zu 6000K, extremen Ofkillrate vun iwwer 10¹⁰K/s, ganz héijen Dréck vu bis zu 2000atm, extremen Drockënnerscheeder souwéi Flëssegkeetsstrale mat bis zu 1000km/h (∼280m/s).
Dës intensiv Kräfte wierken op d’Graphitstapelen an, déi zu Graphenoxid mat enger oder e puer Schichten an zu onverännerte Graphen-Nanoblieder delaminéiert ginn.

Wat ass Graphenoxid?

Graphenoxid (GO) gëtt duerch d’Exfoliatioun vu Graphitoxid (GrO) synthetiséiert. Wärend Graphitoxid en 3D-Material ass, dat aus Millioune vu Graphenschichte mat interkaléiertem Sauerstoff besteet, ass Graphenoxid e Graphen mat enger oder e puer Schichten, dee béidsäiteg mat Sauerstoff funktionaliséiert ass.
Graphenoxid a Graphen ënnerscheede sech an de follgenden Eegenschaften: Graphenoxid ass polar, wärend Graphen onpolar ass. Graphenoxid ass hydrophil, wärend Graphen hydrophob ass.
Dat bedeit, datt Graphenoxid waasserléislech, amphiphil, net gëfteg a biologesch ofbaubar ass a stabil kolloidal Suspensioune bilt. D’Uewerfläch vu Graphenoxid enthält Epoxy-, Hydroxyl- a Carboxylgruppen, déi mat Kationen an Anione wierke kënnen. Wéinst hirer eenzegaarteger organesch–anorganescher Hybridstruktur an hiren aussergewéinlechen Eegenschafte bidden GO–Polymer-Kompositten e grousst Potenzial fir villfälteg industriell Applikatiounen. (Tolasz et al. 2014)

Wat ass reduzéierte Graphenoxid?

Reduzéierte Graphenoxid (rGO) gëtt duerch ultraschallbedéngt, cheemesch oder thermesch Reduktioun vu Graphenoxid hiergestallt. Wärend dem Reduktiounsschrëtt ginn déi meescht sauerstoffhalteg funktionell Gruppe vum Graphenoxid ewechgeholl, soudatt de resultéierende reduzéierte Graphenoxid (rGO) ganz änlech Eegenschafte wéi onverännerte Graphen huet. Reduzéierte Graphenoxid (rGO) ass awer net esou defektfräi an onverännert wéi rengt Graphen.

Literatur/Referenzen

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.