Ūdenī disperģējama grafēna eksfoliācija ar ultraskaņu

• Vienslāņa un divslāņu grafēna nanoloksnes var ātri iegūt ar ultraskaņas eksfoliāciju, nodrošinot augstu ražīgumu un zemas izmaksas.
• Ar ultraskaņu eksfoliētu grafēnu var funkcionalizēt ar biopolimēriem, lai iegūtu ūdenī disperģējamu grafēnu.
• Izmantojot ultraskaņas kavitāciju, sintezēto grafēnu var tālāk pārstrādāt stabilā ūdens dispersijā.

Augstas kvalitātes grafēna eksfoliācija ar ultraskaņu

Apstrāde ar ultraskaņu ir uzticama metode grafēna slāņu (vienslāņa, divslāņu un dažu slāņu grafēna) iegūšanai no grafīta pārslām vai daļiņām. Citas plaši izmantotas eksfoliācijas metodes, piemēram, lodīšu un valču dzirnavas vai augstas bīdes maisītāji, ir saistītas ar zemu kvalitāti un agresīvu reaģentu un šķīdinātāju izmantošanu, savukārt ultraskaņas eksfoliācijas metode izceļas ar augstu iegūtā produkta kvalitāti, lielu procesa ražīgumu un saudzīgiem apstrādes apstākļiem.
Ultraskaņas kavitācija rada intensīvus bīdes spēkus, kas atdala citu virs cita sakārtotos grafīta slāņus, veidojot vienslāņa, divslāņu un dažu slāņu grafēnu bez defektiem.

Ūdenī disperģējamas grafēna loksnes, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu

Apstrāde ar ultraskaņu ir efektīva procedūra ar atkārtojamiem rezultātiem oglekļa nanocaurulīšu atšķetināšanai ūdenī vai organiskajos šķīdinātājos.[/caption]Normālos apstākļos grafēns ūdenī disperģējas grūti un, disperģējot ūdens vidē, veido agregātus un aglomerātus. Tā kā ūdens sistēmām ir būtiskas priekšrocības – tās ir lētas, netoksiskas un videi draudzīgas –, grafēna sistēmas uz ūdens bāzes ir ļoti pievilcīgas grafēna ražotājiem un turpmākās pārstrādes nozarei.
Lai iegūtu ūdenī disperģējamas grafēna nanoloksnes, ar ultraskaņu eksfoliēto grafēnu modificē ar polisaharīdiem / biopolimēriem, piemēram, pululānu, hitozānu, alginātu, želatīnu vai gumiarābiku.

Grafīta tiešās eksfoliācijas protokols, izmantojot ultraskaņu

Nejonu pululānu un anjonu alginātu (1,0 g) katru atsevišķi izšķīdināja 20 ml destilēta ūdens, savukārt katjonu hitozānu (0,4 g) izšķīdināja 20 ml destilēta ūdens ar 1 wt% etiķskābes. Grafīta pulveri disperģēja biopolimēru ūdens šķīdumos un apstrādāja ar zondes tipa ultraskaņas iekārtu UP200S (maksimālā jauda 200 W, frekvence 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Vācija), kas aprīkota ar titāna sonotrodi (mikrouzgalis S3, uzgaļa diametrs 3 mm, maksimālā amplitūda 210µm, akustiskās jaudas blīvums jeb virsmas intensitāte 460 W cm-2), šādos apstākļos: cikls 0,5 un amplitūda 50%, attiecīgi 10, 20, 30 un 60 min. Labākie rezultāti tika iegūti pēc 30min apstrādes ar ultraskaņu. Apstrādi ar ultraskaņu veica ar 16,25 W jaudu 30 minūtes, enerģijas patēriņam (izvadītajai enerģijai uz tilpuma vienību) sasniedzot 731 Ws ml-1.
Pēc tam maisījumus centrifugēja ar 1500 rpm 60 min, lai atdalītu neeksfoliētās grafīta daļiņas, un pēc tam mazgāja 5 reizes un atkārtoti centrifugēja ar 5000 rpm 20 min, lai atdalītu liekos biopolimērus. Iegūtos tumši pelēkos šķīdumus žāvēja vakuumā 40ºC temperatūrā, līdz masa vairs nesamazinājās. Iegūtos polimēra–grafēna pulverus atkārtoti disperģēja ūdenī (1 mg ml-1 pululānam un hitozānam; 0,18 mg ml-1 alginātam), lai noteiktu to raksturlielumus. Grafēna loksnes, kas iegūtas, apstrādājot ar ultraskaņu pululāna, algināta un hitozāna klātbūtnē, apzīmēja attiecīgi ar pull-G, alg-G un chit-G.
No šīm trim sistēmām pululāns un hitozāns grafīta eksfoliācijā bija efektīvāki par alginātu. Ar šo metodi ieguva eksfoliētas vienslāņa, divslāņu un dažu slāņu grafēna loksnes ar tikai nelieliem laterāliem (malu) defektiem. Biopolimēru adsorbcija uz grafēna virsmas nodrošina ilgstošu ūdens dispersijas stabilitāti (vairāk nekā 6 mēnešus).
(sal. Unalan et al. 2015)

Lielā ātrumā uzņemtu kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sonomehānisko eksfoliāciju ūdenī, izmantojot UP200S – 200W ultraskaņas iekārtu ar 3-mm sonotrodi. Bultiņas norāda šķelšanās (eksfoliācijas) vietu, kur kavitācijas burbuļi iekļūst plaisā.
(pētījums un attēli: © Tyurnina et al. 2020

Ultraskaņas iekārtas grafēna eksfoliācijai

Hielscher lieljaudas ultraskaņas procesorus visā pasaulē izmanto sekmīgai grafīta un grafēna eksfoliācijai un disperģēšanai. Mūsu ultraskaņas dispergatoru klāsts aptver gan laboratorijas un galda iekārtas, gan pilna mēroga rūpnieciskās ražošanas iekārtas. Papildus izturībai, darbībai 24/7 režīmā un nelielai apkopes nepieciešamībai Hielscher ultraskaņas iekārtas izceļas ar ļoti ērtu apstrādi un lineāru mērogojamību.
Procesus var viegli pārbaudīt un optimizēt laboratorijā. Pēc tam visus procesa rezultātus var pilnīgi lineāri mērogot līdz komerciālās ražošanas līmenim. Tas padara apstrādi ar ultraskaņu par iedarbīgu un efektīvu metodi augstas kvalitātes grafēna lokšņu ražošanai lielos apjomos.
Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori var nodrošināt ļoti lielas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200µm var viegli uzturēt nepārtraukti, darbojoties 24/7 režīmā. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas pēc individuāla pasūtījuma izgatavotas ultraskaņas sonotrodes. Atbilstoši ultraskaņas reaktori nodrošina iespēju uzticami un droši masveidā ražot augstas kvalitātes grafēna nanoloksnes, kā arī stabilas nanolokšņu dispersijas.

Hielscher ultraskaņas iekārtu izturība ļauj tās darbināt 24/7 režīmā ar lielu slodzi un prasīgos vides apstākļos.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu: