grafeenoxide – Ultrasone afschilfering en dispersie
Ultrasone exfoliatie is een veelgebruikte techniek om grafeenoxide te produceren door grafietoxide af te breken in dunne, enkel- of enkellaags grafeenvellen. Hielscher sonicators creëren intense akoestische cavitatie, waarbij energierijke ultrasone golven hoogenergetische microbelletjes genereren in een vloeibaar medium. Deze instortende bellen creëren schuifkrachten die grafietoxidelagen van elkaar scheiden, waardoor ze effectief exfoliëren in nanosheets van grafeenoxide. Profiteer van krachtige ultrasone trillingen om uw toepassing op basis van grafeenoxide naar een hoger niveau te tillen!
Ultrasone afschilfering van grafeenoxide
Grafeenoxide is oplosbaar in water, amfifiel, niet giftig, biologisch afbreekbaar en kan gemakkelijk worden gedispergeerd tot stabiele colloïden. Ultrasone exfoliatie en dispersie is een zeer efficiënte, snelle en kosteneffectieve methode om grafeenoxide op industriële schaal te synthetiseren, dispergeren en functionaliseren. Bij de verdere verwerking produceren ultrasone dispergeerders hoogwaardige grafeenoxide-polymeercomposieten.
Voordelen van ultrasone peeling
Ultrasone exfoliatie biedt verschillende voordelen, waaronder eenvoud, schaalbaarheid en milieuvriendelijkheid, omdat er meestal geen agressieve chemicaliën of complexe processen nodig zijn. Bovendien maakt het nauwkeurige controle mogelijk over de grootte en dikte van nanosheets van grafeenoxide, wat cruciaal is voor het afstemmen van hun eigenschappen in verschillende toepassingen.
Industriële sonicator UIP16000hdT voor grafeenoxide-exfoliatie met hoge doorvoer
Protocol: Ultrasone afschilfering van grafeenoxide
Om de grootte van nanosheets van grafeenoxide (GO) te controleren, speelt de exfoliatiemethode een belangrijke rol. Vanwege de nauwkeurig regelbare procesparameters is ultrasone exfoliatie de meest gebruikte delaminatietechniek voor de productie van grafeen en grafeenoxide van hoge kwaliteit.
Voor de ultrasone exfoliatie van grafeenoxide uit grafietoxide zijn verschillende protocollen beschikbaar. Hieronder vindt u een voorbeeldprotocol voor ultrasone verwijdering van grafeenoxide:
Grafietoxidepoeder wordt gemengd in waterig KOH met een pH-waarde van 10. Voor de afschilfering en de daaropvolgende dispersie wordt de ultrasone sonde UP200St (200 W) gebruikt. Daarna worden K+ ionen aan het basisvlak van het grafeen gehecht om een verouderingsproces te induceren. De veroudering vindt plaats onder roterende verdamping (2 uur). Om overtollige K+ ionen te verwijderen, wordt het poeder gewassen en verschillende keren gecentrifugeerd.
Het verkregen mengsel wordt gecentrifugeerd en gevriesdroogd, zodat een dispergeerbaar grafeenoxidepoeder neerslaat.
Bereiding van een geleidende grafeenoxidepasta: Het grafeenoxidepoeder kan worden gedispergeerd in dimethylformamide (DMF) onder sonicatie om een geleidende pasta te produceren. (Han et al.2014)
Het mechanisme van ultrasone grafeenoxide-exfoliatie
(Pic.: Potts et al. 2011)
Ultrasone functionalisatie van grafeenoxide
Sonificatie wordt met succes gebruikt om grafeenoxide (GO) op te nemen in polymeren en composieten.
Voorbeelden:
- grafeenoxide-TiO2 microsfeer composiet
- polystyreen-magnetiet-grafeenoxide composiet (core-shell structuur)
- composieten van polystyreen gereduceerd grafeenoxide
- polyaniline-nanovezel-gecoate polystyreen/graceenoxide (PANI-PS/GO) core shell composiet
- polystyreen-geintercaleerd grafeenoxide
- p-fenyleendiamine-4vinylbenzeen-polystyreen gemodificeerd grafeenoxide
Ultrasone UP400St voor de bereiding van dispersies van grafeennanoplaatjes
Toepassingen van grafeenoxide geproduceerd door ultrasone afschilfering
Grafeenoxide geproduceerd via ultrasone afschilfering heeft brede toepassingen op verschillende gebieden. In de elektronica wordt het gebruikt in flexibele geleidende films en sensoren; bij energieopslag verbetert het de prestaties van batterijen en supercondensatoren. De antibacteriële eigenschappen van grafeenoxide maken het waardevol in biomedische toepassingen, terwijl het hoge oppervlak en de functionele groepen voordelig zijn in katalyse en milieusanering. In het algemeen vergemakkelijkt ultrasone afschilfering de efficiënte productie van grafeenoxide van hoge kwaliteit voor gebruik in geavanceerde technologieën.
Sonificatoren voor verwerking van grafeen en grafeenoxide
Hielscher Ultrasonics biedt krachtige ultrasone systemen voor het exfoliëren, dispergeren en verwerken van grafeen en grafeenoxide. Betrouwbare ultrasone processoren en geavanceerde reactoren leveren nauwkeurige controle, waardoor ultrasone processen kunnen worden afgestemd op de gewenste doelen.
Een cruciale parameter is de ultrasone amplitude, die de trillingsexpansie en -samentrekking van de ultrasone sonde bepaalt. Hielscher industriële ultrasone sondes leveren hoge amplitudes, tot 200 µm, en werken continu 24/7. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sondes verkrijgbaar. Alle processors kunnen nauwkeurig worden aangepast aan de procesomstandigheden en worden gecontroleerd via ingebouwde software, waardoor betrouwbaarheid, consistente kwaliteit en reproduceerbare resultaten worden gegarandeerd.
Hielscher sonicators zijn robuust en kunnen continu werken in zware omstandigheden, waardoor sonicatie de productietechnologie bij uitstek is voor het op grote schaal prepareren van grafeen, grafeenoxide en grafietmateriaal.
Een breed productassortiment van ultrasone apparaten en accessoires, waaronder sonotroden en reactoren met verschillende afmetingen en geometrieën, maakt de selectie mogelijk van optimale reactieomstandigheden en factoren, zoals reagentia, ultrasone energie-input, druk, temperatuur en debiet, om de hoogste kwaliteit te bereiken. Hielscher's ultrasone reactoren kunnen zelfs een druk tot enkele honderden barg bereiken, waardoor sonificatie van zeer viskeuze pasta's met viscositeiten van meer dan 250.000 centipoise mogelijk is.
Door deze factoren zijn ultrasone delaminatie en exfoliatie beter dan conventionele technieken.
- hoog vermogen
- hoge schuifkrachten
- hoge druk toepasbaar
- nauwkeurige regeling
- naadloze schaalbaarheid (lineair)
- batchgewijs en continu
- reproduceerbare resultaten
- betrouwbaarheid
- robuustheid
- hoge energie-efficiëntie
Ultrasoon systeem voor grafeenoxide-exfoliatie
Klik hier voor meer informatie over ultrasone synthese, dispersie en functionalisatie van grafeen:
- Productie van grafeen
- Grafeen Nanoplaatjes
- Grafeenrubbering op waterbasis
- Waterdispergeerbaar grafeen
- grafeenoxide
- xenes
Wetenswaardigheden
Ultrasoon geluid en cavitatie: Hoe wordt grafiet geëxfolieerd tot grafeenoxide met behulp van sonificatie?
Ultrasone exfoliatie van grafietoxide (GrO) is gebaseerd op de hoge schuifkracht geïnduceerd door akoestische cavitatie. Akoestische cavitatie ontstaat door de afwisselende hoge druk / lage druk cycli, die worden gegenereerd door de koppeling van krachtige ultrasone geluidsgolven in een vloeistof. Tijdens de lagedrukcycli ontstaan zeer kleine holtes of vacuümbellen, die groeien tijdens de afwisselende lagedrukcycli. Wanneer de vacuümbellen zo groot worden dat ze geen energie meer kunnen absorberen, storten ze heftig in elkaar tijdens een hogedrukcyclus. De implosie van de bellen resulteert in cavitatieschuifkrachten en spanningsgolven, extreme temperaturen tot 6000 K, extreme afkoelsnelheden van meer dan 1010K/s, zeer hoge drukken tot 2000 atm, extreme drukverschillen en vloeistofstralen tot 1000 km/u (∼280m/s).
Deze intense krachten beïnvloeden de grafietstapels, die delamineren in enkel- of enkellaags grafeenoxide en ongerepte grafeennanosheets.
Wat is grafeenoxide?
Grafeenoxide (GO) wordt gesynthetiseerd door grafietoxide (GrO) te exfoliëren. Terwijl grafietoxide een 3D-materiaal is dat bestaat uit miljoenen lagen grafeen met ingelegde oxygenen, is grafeenoxide één- of drielaags grafeen dat aan beide zijden zuurstof bevat.
Grafeenoxide en grafeen verschillen van elkaar door de volgende eigenschappen: grafeenoxide is polair, grafeen is apolair. Grafeenoxide is hydrofiel, terwijl grafeen hydrofoob is.
Dit betekent dat grafeenoxide in water oplosbaar, amfifiel, niet giftig en biologisch afbreekbaar is en stabiele colloïdale suspensies vormt. Het oppervlak van grafeenoxide bevat epoxy-, hydroxyl- en carboxylgroepen, die beschikbaar zijn voor interactie met kationen en anionen. Door hun unieke organisch-anorganische hybride structuur en uitzonderlijke eigenschappen bieden GO-polymeer composieten een groot potentieel voor talloze industriële toepassingen. (Tolasz et al. 2014)
Wat is gereduceerd grafeenoxide?
Gereduceerd grafeenoxide (rGO) wordt geproduceerd door ultrasone, chemische of thermische reductie van grafeenoxide. Tijdens de reductiestap worden de meeste zuurstoffunctionaliteiten van grafeenoxide verwijderd, zodat het resulterende gereduceerde grafeenoxide (rGO) zeer vergelijkbare eigenschappen heeft als zuiver grafeen. Gereduceerd grafeenoxide (rGO) is echter niet defectvrij en ongerept zoals zuiver grafeen.
Literatuur/referenties
- 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.