Grafeen nanoplaatjes gesynthetiseerd en gedispergeerd via sonde-sonicatie

Grafeennanoplaatjes (GNP's) kunnen zeer efficiënt en betrouwbaar gesynthetiseerd en gedispergeerd worden met behulp van sonicators. Ultrasoon geluid met hoge intensiteit wordt gebruikt om grafiet te exfoliëren en een paar lagen grafeen te verkrijgen, vaak grafeen-nanoplatjes genoemd. Sonificatie blinkt ook uit in het bereiken van een uitstekende distributie van grafeennanoplatjes in zowel laag- als hoogviskeuze suspensies.

Verwerking van grafeennanoplaatjes – Superieure resultaten met Sonication

Voor de verwerking van grafeen-nanoplatjes zijn sonicators van het probe-type het meest efficiënte, betrouwbare en gebruiksvriendelijke instrument. Omdat ultrasone trillingen kunnen worden toegepast voor de synthese, dispersie en functionalisatie van grafeen-nanoplatjes, worden sonicators gebruikt voor talloze grafeen-gerelateerde toepassingen:

• Exfoliatie en synthese Sonicators van het sonde-type worden gebruikt om grafiet te exfoliëren tot grafeen met enkele lagen of grafeen-nanoplaatjes. De ultrasone behandeling met hoge intensiteit verstoort de tussenlaagse krachten en breekt het grafiet af in kleinere, afzonderlijke vellen grafeen.
• Verspreiding: Het bereiken van een uniforme dispersie van grafeen nanoplaatjes in een vloeibaar medium is cruciaal voor alle grafeen-gerelateerde toepassingen. Sonicators van het sonde-type kunnen de nanoplatelets gelijkmatig door de vloeistof verspreiden, waardoor agglomeratie wordt voorkomen en een stabiele suspensie ontstaat.
• Functionalisatie: Sonicatie vergemakkelijkt de functionalisatie van grafeen nanoplatjes door de aanhechting van functionele groepen of moleculen aan hun oppervlak te bevorderen. Deze functionalisatie verbetert hun compatibiliteit met specifieke polymeren of materialen.

Synthese van grafeennanoplaatjes via sonificatie

Grafeennanoplaatjes kunnen worden gesynthetiseerd door ultrasoon-ondersteunde grafietafschilfering. Hiervoor wordt een grafietsuspensie gesoneerd met behulp van een ultrasone homogenisator van het probe-type. Deze procedure is getest met zeer lage (bijv. 4wt% of lager) tot hoge concentraties vaste stof (bijv. 10wt% of hoger).
 
Ghanem and Rehim (2018) report the ultrasonic exfoliation of graphite in water with the aid of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) in order to prepare dispersed graphene nanoplatelets using a the probe-type sonicator UP 100H allowed for the successful preparation of defect-free few-layer graphene (>5). The following precursor was used: reduced graphene nanosheets were prepared via Hummer method and treated with two additional steps, oxidation of graphite followed by reduction of graphene oxide. Thereby, dispersed graphene nanoplatelets were obtained in water via solvent dispersion method (see scheme below). Graphite layers were exfoliated with sonication using the probe-type sonicator UP100H (100 W). 0.25 g SDS was dissolved in 150 mL deionized water and then 0.5 g of graphite was added. The graphite solution was sonicated for 12h in an ice bath and then the suspension solution was centrifuged at 686× g for 30 min to remove the large particles. The precipitate was discarded and supernatant was re-centrifuged for 90 min at 12,600× g. The obtained dispersed graphene nanoplatelets were washed well several times to get rid of the surfactant. Finally, the product was dried at 60ºC under vacuum.

Transmissie-elektronenmicroscoopafbeeldingen met hoge resolutie van verkregen grafeennanosheets
via ultrasoon gestuurde waterfase-dispersie en Hummer-methode.
(Studie en grafiek: Ghanem en Rehim, 2018)

Wat is het verschil tussen grafeenvellen en nanoplaatjes?

Grafeenvellen en grafeennanoplaten zijn beide nanomaterialen die bestaan uit grafeen, een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een hexagonaal rooster. Soms worden grafeenvellen en grafeennanoplatelets als verwisselbare termen gebruikt. Maar wetenschappelijk gezien zijn er een paar verschillen tussen deze grafeen nanomaterialen: Het belangrijkste verschil tussen grafeenvellen en grafeennanoplatjes ligt in hun structuur en dikte. Grafeenvellen bestaan uit een enkele laag koolstofatomen en zijn uitzonderlijk dun, terwijl grafeennanoplatelen dikker zijn en uit meerdere gestapelde lagen grafeen bestaan. Deze structurele verschillen kunnen hun eigenschappen en geschiktheid voor specifieke toepassingen beïnvloeden. Het gebruik van sonde-type sonicators is een zeer effectieve en efficiënte techniek voor het synthetiseren, dispergeren en functionaliseren van éénlaagse grafeenvellen en een paarlaagse gestapelde grafeen nanoplatelets.

Grafische weergave van de ultrasone synthese van grafeennanoplaatjes met de sonicator UP100H
(Studie en grafiek: Ghanem en Rehim, 2018)

Dispersie van grafeennanoplaatjes met behulp van Sonicatie

De uniforme dispersie van grafeen nanoplaatjes (GNP's) is cruciaal in verschillende toepassingen omdat het een directe invloed heeft op de eigenschappen en prestaties van de resulterende materialen of producten. Daarom worden sonicators gebruikt voor de dispersie van grafeennanoplatjes in verschillende industrieën. De volgende industrieën zijn prominente voorbeelden voor het gebruik van power-ultrasound:
 

• Nano-composieten: Nanoplaatjes van grafeen kunnen worden verwerkt in verschillende nanocomposietmaterialen, zoals polymeren, om hun mechanische, elektrische en thermische eigenschappen te verbeteren. Sonicators van het sonde-type helpen bij het gelijkmatig verspreiden van de nanoplaatjes in de polymeermatrix, wat resulteert in betere materiaalprestaties.
• Elektroden en batterijen: Nanoplaatjes van grafeen worden gebruikt bij de ontwikkeling van hoogwaardige elektrodes voor batterijen en supercondensatoren. Sonicatie helpt bij het creëren van goed gedispergeerde, op grafeen gebaseerde elektrodematerialen met een groter oppervlak, wat de energieopslagcapaciteit verbetert.
• Katalyse: Sonicatie kan worden gebruikt om katalytische materialen op basis van grafeen-nanoplaatjes te bereiden. De uniforme dispersie van katalytische nanodeeltjes op het grafeenoppervlak kan de katalytische activiteit in verschillende reacties verbeteren.
• Sensoren: Nanoplaatjes van grafeen kunnen worden gebruikt bij de fabricage van sensoren voor verschillende toepassingen, waaronder gasdetectie, biosensing en omgevingsmonitoring. Sonificatie zorgt voor een homogene verdeling van de nanoplaatjes in sensormaterialen, wat leidt tot verbeterde gevoeligheid en prestaties.
• Coatings en Films: Sonicatoren van het sonde-type worden gebruikt om coatings en films op basis van grafeennanoplaatjes te bereiden voor toepassingen in elektronica, ruimtevaart en beschermende coatings. Uniforme dispersie en goede hechting aan substraten zijn cruciaal voor deze toepassingen.
• Biomedische toepassingen: In biomedische toepassingen kunnen grafeen-nanoplaatjes worden gebruikt voor het toedienen van medicijnen, beeldvorming en weefselmanipulatie. Sonificatie helpt bij de bereiding van op grafeen gebaseerde nanodeeltjes en composieten die in deze toepassingen worden gebruikt.

SEM-afbeeldingen van grafeennanoplaatjes bij (b) X3000 en (c) X8000
(Studie en afbeeldingen: ©Alizadeh et al., 2018)

Wetenschappelijk bewezen resultaten voor ultrasone dispersies van grafeennanoplaatjes

Wetenschappers hebben Hielscher sonicators gebruikt voor de synthese en dispersie van grafeen nanoplaatjes in talloze onderzoeken en hebben de effecten van ultrasoonbehandeling krachtig getest. Hieronder vindt u enkele voorbeelden van het succesvol mengen van grafeennanoplaatjes in verschillende mengsels zoals waterige slurries, expoyeerharsen of mortel.
 
De volgende procedure is gebruikelijk voor een betrouwbare, snelle en uniforme dispersie van grafeennanoplaatjes:
Voor de dispersie werden de grafeennanoplaatjes bijna een uur lang gesonitiseerd in zuivere aceton met de Hielscher ultrasone mixer UP400S om agglomeratie van de grafeenplaatjes te voorkomen. De aceton werd volledig verwijderd door verdamping. Vervolgens werden de grafeennanoplaatjes met 1 gewichtsprocent aan het epoxysysteem toegevoegd en gedurende 15 minuten bij 90 W in de epoxyhars gesoneerd.
(cf. Cakir et al., 2016)
 
Een andere studie onderzoekt de versterking van op ionische vloeistoffen gebaseerde nanovloeistoffen (ionanovloeistoffen) door toevoeging van grafeen-nanoplaatjes. Voor een superieure dispersie werd het mengsel van grafeennanoplaatjes, ionenvloeistof en natriumdodecylbenzeensulfonaat gehomogeniseerd met de Hielscher sonicator UP200S voor ongeveer 90 minuten.
(vgl. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) rapporteren de effectieve opname van grafeen nanoplaatjes in mortel. Daarom werden waterige grafeen suspensies geproduceerd door toevoeging van nanoplatelets - in gewichten ingeschreven door de gewenste doelgehaltes in de resulterende materialen - in mengsels van gewoon kraanwater en weekmaker en vervolgens magnetisch roeren gedurende 2 min. De suspensies werden gehomogeniseerd door middel van ultrasoonbehandeling gedurende 90 minuten bij kamertemperatuur, met behulp van een Hielscher UP400S apparaat (Hielscher Ultrasonics GmbH) uitgerust met een 22mm-sonotrode die een vermogen levert van 4500 J/min bij een frequentie van 24 kHz. De specifieke combinatie van energiesnelheid en sonicatieduur werd optimaal bevonden na een nauwgezet onderzoek naar het effect van ultrasoonparameters op de kwaliteit van de suspensie.
(vgl. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) stellen in hun onderzoek dat een goede dispersietechniek zoals sonicatie ervoor zorgt dat nanomaterialen zoals grafeen nanoplatetelets de eigenschappen van invulmaterialen kunnen verbeteren. Dit komt doordat dispersie een van de belangrijkste factoren is voor de productie van hoogwaardige nanocomposieten zoals epoxyspecie.

Krachtige sonators voor verwerking van grafeennanoplaatjes

Hielscher Ultrasonics is marktleider op het gebied van hoogwaardige ultrasoonapparatuur voor de verwerking van nanomaterialen. Hielscher sonde-type sonicators worden wereldwijd gebruikt in laboratoria en industriële omgevingen voor verschillende toepassingen, waaronder de verwerking van grafeen nanoplaatjes.
Ultramoderne technologie, Duits vakmanschap en techniek en jarenlange technische ervaring maken Hielscher Ultrasonics tot uw voorkeurspartner voor succesvolle ultrasone toepassingen.

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasone apparaten met state-of-the-art technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn de Hielscher ultrasoonapparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: