Ultrasone exfoliatie van in water dispergeerbaar grafeen
- Een- en tweelagige grafeennanoplaten kunnen snel worden geproduceerd via ultrasone exfoliatie met een hoge verwerkingscapaciteit en tegen lage kosten.
- Ultrasoon geëxfolieerd grafeen kan met biopolymeren worden gefunctionaliseerd om in water dispergeerbaar grafeen te verkrijgen.
- Door ultrasone cavitatie kan het gesynthetiseerde grafeen verder worden verwerkt tot een stabiele dispersie op waterbasis.
Ultrasone exfoliatie van hoogwaardig grafeen
Sonicatie is een betrouwbare methode om grafeenlagen (eenlagig, tweelagig en grafeen met enkele lagen) uit grafietvlokken of -deeltjes te produceren. Terwijl andere gangbare exfoliatietechnieken, zoals kogel- en walsmolens of mengers met hoge afschuiving, gepaard gaan met een lage kwaliteit en het gebruik van agressieve reagentia en oplosmiddelen, overtuigt de ultrasone exfoliatiemethode door de hoge kwaliteit van het geproduceerde materiaal, de hoge procescapaciteit en de milde verwerkingsomstandigheden.
Ultrasone cavitatie creëert intense afschuifkrachten die de gestapelde grafietlagen scheiden tot eenlagig, tweelagig en grafeen met enkele lagen zonder defecten.
In water dispergeerbare grafeenplaten via sonicatie
Sonicatie is een effectieve procedure met herhaalbare resultaten om koolstofnanobuisjes in water of organische oplosmiddelen te ontwarren.[/caption]Onder normale omstandigheden is grafeen nauwelijks dispergeerbaar in water en vormt het aggregaten en agglomeraten wanneer het in een waterig medium wordt gedispergeerd. Omdat waterige systemen aanzienlijke voordelen bieden doordat ze goedkoop, niet-toxisch en milieuvriendelijk zijn, zijn grafeensystemen op waterbasis zeer aantrekkelijk voor grafeenproducenten en de downstreamindustrie.
Om in water dispergeerbare grafeennanoplaten te verkrijgen, wordt het ultrasoon geëxfolieerde grafeen gemodificeerd met polysachariden / biopolymeren zoals pullulan, chitosan, alginaat, gelatine of Arabische gom.
- hoogwaardig grafeen
- hoge opbrengst
- dispersie op waterbasis
- hoge concentratie
- hoge efficiëntie
- snel proces
- lage kosten
- hoge verwerkingscapaciteit
- milieuvriendelijk
Ultrasone reactor met sonicators met een sonde voor grafeenexfoliatie op industriële schaal
Protocol voor directe exfoliatie van grafiet met ultrasoon geluid
Niet-ionisch pullulan en anionisch alginaat (1,0 g) werden afzonderlijk opgelost in 20 ml gedestilleerd water, terwijl kationisch chitosan (0,4 g) werd opgelost in 20 ml gedestilleerd water met 1 wt% azijnzuur. Grafietpoeder werd gedispergeerd in de waterige biopolymeeroplossingen en behandeld met een sonicator met een sonde UP200S (maximaal vermogen 200 W, frequentie 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Duitsland), uitgerust met een titanium sonotrode (microtip S3, tipdiameter 3 mm, maximale amplitude 210µm, akoestische vermogensdichtheid of oppervlakte-intensiteit 460 W cm-2), onder de volgende omstandigheden: 0,5 cyclus en 50% amplitude, gedurende respectievelijk 10, 20, 30 en 60 min. De beste resultaten werden verkregen bij 30min sonicatie. Sonicatie werd gedurende 30 minuten toegepast bij een vermogen van 16,25 W, met een energieverbruik (energieafgifte per volume-eenheid) van 731 Ws ml-1.
Vervolgens werden de mengsels gedurende 60 min bij 1500 rpm gecentrifugeerd om niet-geëxfolieerde grafietdeeltjes te verwijderen, daarna 5 keer gewassen en opnieuw gedurende 20 min bij 5000 rpm gecentrifugeerd om overtollige biopolymeren te verwijderen. De verkregen donkergrijze oplossingen werden bij 40ºC onder vacuüm gedroogd totdat er geen massaverlies meer optrad. De resulterende polymeer–grafeenpoeders werden voor karakterisering opnieuw in water gedispergeerd (1 mg ml-1 voor pullulan en chitosan; 0,18 mg ml-1 voor alginaat). Grafeenplaten die door sonicatie met behulp van pullulan, alginaat en chitosan werden verkregen, werden respectievelijk aangeduid als pull-G, alg-G en chit-G.
Van de drie systemen waren pullulan en chitosan effectiever bij de exfoliatie van grafiet dan alginaat. Deze methode leverde geëxfolieerde eenlagige, tweelagige en uit enkele lagen bestaande grafeenplaten op met slechts geringe laterale defecten (aan de randen). De adsorptie van biopolymeren op het grafeenoppervlak zorgt voor een langdurige stabiliteit (meer dan 6 maanden) van de waterige dispersie.
(vgl. Unalan et al. 2015)
Een met hoge snelheid opgenomen reeks beelden (van a tot f) die de sonomechanische exfoliatie van een grafietvlok in water illustreert met behulp van de UP200S, een sonicator van 200W met een sonotrode van 3 mm. Pijlen geven de plaats van splijting (exfoliatie) aan, waarbij cavitatiebellen de spleet binnendringen.
(onderzoek en afbeeldingen: © Tyurnina et al. 2020
TEM-beelden van pull-G voor: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G gedurende 30 min; (f) alg-G gedurende 30 min. (Unalan et al. 2015)
Sonicators voor grafeenexfoliatie
De ultrasone processoren met hoog vermogen van Hielscher worden wereldwijd gebruikt voor de succesvolle exfoliatie en dispersie van grafiet en grafeen. Onze ultrasone dispergeerapparaten zijn verkrijgbaar van laboratorium- en tafelmodellen tot volledige industriële productie-eenheden. Naast robuustheid, 24/7-bedrijf en een geringe onderhoudsbehoefte overtuigen de sonicators van Hielscher door het grote verwerkingsgemak en de lineaire schaalbaarheid.
Processen kunnen eenvoudig in het laboratorium worden getest en geoptimaliseerd. Vervolgens kunnen alle procesresultaten volledig lineair worden opgeschaald naar een commercieel productieniveau. Dit maakt sonicatie tot een effectieve en efficiënte productiemethode voor grote hoeveelheden hoogwaardige grafeenplaten.
De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast in 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. Bijpassende ultrasone reactoren maken betrouwbare en veilige massaproductie van hoogwaardige grafeennanoplaten en stabiele dispersies van nanoplaten mogelijk.
De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicators:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | hoger | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
Mechanisme van ultrasone exfoliatie van 2D-nanoplaten.
(onderzoek en afbeelding: Tyurnina et al., 2020)
Wetenswaardigheden
Grafeen
Grafeen is een monolaag van sp2-gebonden koolstofatomen. Grafeen biedt unieke materiaaleigenschappen, zoals een buitengewoon groot specifiek oppervlak (2620 m2 g-1), superieure mechanische eigenschappen met een Young-modulus van 1 TPa en een intrinsieke sterkte van 130 GPa, een extreem hoge elektrische geleidbaarheid (elektronenmobiliteit bij kamertemperatuur van 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), een zeer hoge thermische geleidbaarheid (boven 3000 W m K-1), om de belangrijkste eigenschappen te noemen. Vanwege zijn superieure materiaaleigenschappen wordt grafeen veelvuldig gebruikt bij de ontwikkeling en productie van batterijen, brandstofcellen, zonnecellen, supercondensatoren, systemen voor waterstofopslag, elektromagnetische afschermingen en elektronische apparaten met hoge prestaties. Bovendien wordt grafeen als versterkend additief in veel nanocomposieten en composietmaterialen verwerkt, bijvoorbeeld in polymeren, keramiek en metaalmatrices. Vanwege zijn hoge geleidbaarheid is grafeen een belangrijk bestanddeel van geleidende verven en inkten.
De snelle en veilige ultrasone bereiding van grafeen zonder defecten in grote hoeveelheden tegen lage kosten maakt het mogelijk de toepassingen van grafeen naar steeds meer industrieën uit te breiden.
Literatuur/Referenties
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties in formaten van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.