tlenek grafenu – Ultradźwiękowe złuszczanie i dyspersja
Złuszczanie ultradźwiękowe jest szeroko stosowaną techniką produkcji tlenku grafenu poprzez rozbijanie tlenku grafitu na cienkie, jedno- lub kilkuwarstwowe arkusze grafenu. Sonikatory Hielschera tworzą intensywną kawitację akustyczną, w której gęste energetycznie fale ultradźwiękowe generują wysokoenergetyczne mikropęcherzyki w ciekłym medium. Te zapadające się pęcherzyki wytwarzają siły ścinające, które oddzielają warstwy tlenku grafitu, skutecznie złuszczając je w nanoarkusze tlenku grafenu. Skorzystaj z wysokowydajnych ultradźwięków, aby przenieść swoją aplikację opartą na tlenku grafenu na wyższy poziom!
Ultradźwiękowe złuszczanie tlenku grafenu
Tlenek grafenu jest rozpuszczalny w wodzie, amfifilowy, nietoksyczny, biodegradowalny i może być łatwo zdyspergowany w stabilne koloidy. Ultradźwiękowe złuszczanie i dyspersja jest bardzo wydajną, szybką i opłacalną metodą syntezy, dyspersji i funkcjonalizacji tlenku grafenu na skalę przemysłową. W dalszej obróbce dyspergatory ultradźwiękowe wytwarzają wysokowydajne kompozyty tlenku grafenu i polimerów.
Zalety złuszczania ultradźwiękowego
Ultradźwiękowe złuszczanie ma kilka zalet, w tym prostotę, skalowalność i przyjazność dla środowiska, ponieważ zazwyczaj nie wymaga ostrych chemikaliów ani złożonego przetwarzania. Ponadto umożliwia precyzyjną kontrolę nad rozmiarem i grubością nanosieci tlenku grafenu, co ma kluczowe znaczenie dla dostrojenia ich właściwości w różnych zastosowaniach.
Sonikator przemysłowy UIP16000hdT do złuszczania tlenku grafenu przy wysokiej wydajności
Protokół: Ultradźwiękowe złuszczanie tlenku grafenu
W celu kontrolowania wielkości nanosieci tlenku grafenu (GO), metoda eksfoliacji odgrywa kluczową rolę. Ze względu na precyzyjnie kontrolowane parametry procesu, eksfoliacja ultradźwiękowa jest najczęściej stosowaną techniką rozwarstwiania do produkcji wysokiej jakości grafenu i tlenku grafenu.
Do ultradźwiękowego złuszczania tlenku grafenu z tlenku grafitu dostępne są różne protokoły. Poniżej znajduje się przykładowy protokół ultradźwiękowego złuszczania tlenku grafenu:
Proszek tlenku grafitu miesza się w wodnym KOH o wartości pH 10. Do eksfoliacji i późniejszej dyspersji stosuje się ultrasonograf sondowy UP200St (200W). Następnie jony K + są przyłączane do podstawowej płaszczyzny grafenu w celu wywołania procesu starzenia. Starzenie uzyskuje się w procesie parowania obrotowego (2 h). W celu usunięcia nadmiaru jonów K+, proszek jest płukany i odwirowywany różne razy.
Otrzymana mieszanina jest odwirowywana i liofilizowana, dzięki czemu wytrąca się dyspergowalny proszek tlenku grafenu.
Przygotowanie przewodzącej pasty z tlenku grafenu: Proszek tlenku grafenu można zdyspergować w dimetyloformamidzie (DMF) pod wpływem sonikacji w celu wytworzenia pasty przewodzącej. (Han et al.2014)
Mechanizm ultradźwiękowego złuszczania tlenku grafenu
(Zdjęcie: Potts et al. 2011)
Ultradźwiękowa funkcjonalizacja tlenku grafenu
Sonikacja jest z powodzeniem stosowana do wprowadzania tlenku grafenu (GO) do polimerów i kompozytów.
Przykłady:
- Kompozyt tlenku grafenu i mikrosfer TiO2
- kompozyt polistyren-magnetyt-tlenek grafenu (struktura rdzeń-powłoka)
- Kompozyty polistyrenowe ze zredukowanym tlenkiem grafenu
- kompozyt rdzeń-powłoka z nanowłókien polianilinowych powlekanych polistyrenem/tlenkiem grafenu (PANI-PS/GO)
- tlenek grafenu interkalowany polistyrenem
- Tlenek grafenu modyfikowany p-fenylenodiaminą-4-winylobenzenem-polistyrenem
Ultrasonicator UP400St do przygotowania dyspersji nanopłytek grafenowych
Zastosowania tlenku grafenu wytwarzanego przez złuszczanie ultradźwiękowe
Tlenek grafenu wytwarzany poprzez złuszczanie ultradźwiękowe ma szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach. W elektronice wykorzystywany jest w elastycznych foliach przewodzących i czujnikach; w magazynowaniu energii zwiększa wydajność baterii i superkondensatorów. Właściwości antybakteryjne tlenku grafenu sprawiają, że jest on cenny w zastosowaniach biomedycznych, a jego wysoka powierzchnia i grupy funkcjonalne są korzystne w katalizie i rekultywacji środowiska. Ogólnie rzecz biorąc, złuszczanie ultradźwiękowe ułatwia wydajną produkcję wysokiej jakości tlenku grafenu do stosowania w najnowocześniejszych technologiach.
Sonikatory do przetwarzania grafenu i tlenku grafenu
Hielscher Ultrasonics oferuje systemy ultradźwiękowe o dużej mocy do złuszczania, dyspergowania i przetwarzania grafenu i tlenku grafenu. Niezawodne procesory ultradźwiękowe i zaawansowane reaktory zapewniają precyzyjną kontrolę, umożliwiając dostrojenie procesów ultradźwiękowych do pożądanych celów.
Jednym z kluczowych parametrów jest amplituda ultradźwięków, która określa rozszerzanie i kurczenie się sondy ultradźwiękowej. Przemysłowe ultradźwięki Hielscher zapewniają wysokie amplitudy, do 200 µm, nieprzerwanie pracując w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sondy ultradźwiękowe. Wszystkie procesory można precyzyjnie dostosować do warunków procesu i monitorować za pomocą wbudowanego oprogramowania, zapewniając niezawodność, stałą jakość i powtarzalne wyniki.
Sonikatory Hielscher są wytrzymałe i mogą pracować w sposób ciągły w ciężkich warunkach, dzięki czemu sonikacja jest preferowaną technologią produkcji grafenu, tlenku grafenu i materiałów grafitowych na dużą skalę.
Szeroka gama ultradźwięków i akcesoriów, w tym sonotrody i reaktory o różnych rozmiarach i geometrii, pozwala na dobór optymalnych warunków reakcji i czynników, takich jak odczynniki, ultradźwiękowy wkład energii, ciśnienie, temperatura i natężenie przepływu, w celu osiągnięcia najwyższej jakości. Reaktory ultradźwiękowe firmy Hielscher mogą nawet zwiększać ciśnienie do kilkuset barg, umożliwiając sonikację bardzo lepkich past o lepkości przekraczającej 250 000 centypoli.
Ultradźwiękowe rozwarstwianie i złuszczanie przewyższają konwencjonalne techniki ze względu na te czynniki.
- wysoka moc
- duże siły ścinające
- możliwość stosowania wysokich ciśnień
- precyzyjna kontrola
- płynna skalowalność (liniowa)
- wsadowy i ciągły
- powtarzalne wyniki
- niezawodność
- solidność
- Wysoka wydajność energetyczna
System ultradźwiękowy do złuszczania tlenku grafenu
Aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowej syntezie, dyspersji i funkcjonalizacji grafenu, kliknij tutaj:
- Produkcja grafenu
- Nanopłytki grafenowe
- Złuszczanie grafenu na bazie wody
- Grafen dyspergowalny w wodzie
- tlenek grafenu
- ksenony
Fakty, które warto znać
Ultradźwięki i kawitacja: W jaki sposób grafit jest złuszczany do tlenku grafenu za pomocą sonikacji?
Ultradźwiękowe złuszczanie tlenku grafitu (GrO) opiera się na dużej sile ścinającej wywołanej kawitacją akustyczną. Kawitacja akustyczna powstaje w wyniku naprzemiennych cykli wysokiego ciśnienia / niskiego ciśnienia, które są generowane przez sprzężenie silnych fal ultradźwiękowych w cieczy. Podczas cykli niskiego ciśnienia powstają bardzo małe puste przestrzenie lub pęcherzyki próżniowe, które rosną podczas naprzemiennych cykli niskiego ciśnienia. Gdy pęcherzyki próżniowe osiągną rozmiar, w którym nie mogą wchłonąć więcej energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Implozja pęcherzyków powoduje kawitacyjne siły ścinające i fale naprężeń, ekstremalne temperatury do 6000K, ekstremalne szybkości chłodzenia powyżej 1010K/s, bardzo wysokie ciśnienia do 2000 atm, ekstremalne różnice ciśnień, a także strumienie cieczy o prędkości do 1000 km/h (∼280 m/s).
Te intensywne siły wpływają na stosy grafitu, które ulegają rozwarstwieniu na jedno- lub kilkuwarstwowy tlenek grafenu i nieskazitelne nanosiatki grafenowe.
Czym jest tlenek grafenu?
Tlenek grafenu (GO) jest syntetyzowany poprzez eksfoliację tlenku grafitu (GrO). Podczas gdy tlenek grafitu jest materiałem 3D składającym się z milionów warstw grafenu z interkalowanymi tlenkami, tlenek grafenu jest jedno- lub kilkuwarstwowym grafenem, który jest natleniony po obu stronach.
Tlenek grafenu i grafen różnią się od siebie następującymi cechami: tlenek grafenu jest polarny, podczas gdy grafen jest niepolarny. Tlenek grafenu jest hydrofilowy, podczas gdy grafen jest hydrofobowy.
Oznacza to, że tlenek grafenu jest rozpuszczalny w wodzie, amfifilowy, nietoksyczny, biodegradowalny i tworzy stabilne zawiesiny koloidalne. Powierzchnia tlenku grafenu zawiera grupy epoksydowe, hydroksylowe i karboksylowe, które mogą wchodzić w interakcje z kationami i anionami. Ze względu na unikalną organiczno-nieorganiczną strukturę hybrydową i wyjątkowe właściwości, kompozyty GO-polimerowe oferują wysoki potencjał dla różnorodnych zastosowań przemysłowych. (Tolasz et al. 2014)
Czym jest zredukowany tlenek grafenu?
Zredukowany tlenek grafenu (rGO) jest wytwarzany przez ultradźwiękową, chemiczną lub termiczną redukcję tlenku grafenu. Podczas etapu redukcji większość tlenowych właściwości funkcjonalnych tlenku grafenu jest usuwana, dzięki czemu powstały zredukowany tlenek grafenu (rGO) ma bardzo podobne właściwości do czystego grafenu. Jednak zredukowany tlenek grafenu (rGO) nie jest wolny od defektów i nieskazitelny jak czysty grafen.
Literatura/Referencje
- 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.