Ultradźwiękowa eksfoliacja grafenu dyspergowalnego w wodzie

• Jedno- i dwuwarstwowe nanopłatki grafenu można szybko wytwarzać za pomocą eksfoliacji ultradźwiękowej z dużą wydajnością przetwarzania i przy niskich kosztach.
• Grafen poddany eksfoliacji ultradźwiękowej można funkcjonalizować biopolimerami w celu uzyskania grafenu dyspergowalnego w wodzie.
• Dzięki kawitacji ultradźwiękowej zsyntetyzowany grafen można dalej przetwarzać w stabilną dyspersję wodną.

Ultradźwiękowa eksfoliacja grafenu wysokiej jakości

Sonikacja jest niezawodną metodą otrzymywania warstw grafenu (grafenu jedno-, dwu- i kilkuwarstwowego) z płatków lub cząstek grafitu. Podczas gdy inne powszechnie stosowane techniki eksfoliacji, takie jak młyny kulkowe i walcowe lub mieszalniki wytwarzające duże siły ścinające, wiążą się z niską jakością oraz stosowaniem agresywnych odczynników i rozpuszczalników, metoda eksfoliacji ultradźwiękowej przekonuje wysoką jakością otrzymywanego produktu, dużą wydajnością procesu i łagodnymi warunkami przetwarzania.
Kawitacja ultradźwiękowa wytwarza intensywne siły ścinające, które rozdzielają ułożone jedna na drugiej warstwy grafitu na jedno-, dwu- i kilkuwarstwowy grafen pozbawiony defektów.

Płatki grafenu dyspergowalne w wodzie dzięki sonikacji

Sonikacja jest skuteczną procedurą o powtarzalnych wynikach, służącą do rozplątywania nanorurek węglowych w wodzie lub rozpuszczalnikach organicznych.[/caption]W normalnych warunkach grafen trudno dysperguje się w wodzie, a podczas dyspergowania w środowisku wodnym tworzy agregaty i aglomeraty. Ponieważ układy wodne mają istotne zalety, takie jak niski koszt, nietoksyczność i przyjazność dla środowiska, wodne układy grafenowe są bardzo atrakcyjne dla producentów grafenu i przemysłu wykorzystującego go na dalszych etapach przetwarzania.
Aby uzyskać nanopłatki grafenu dyspergowalne w wodzie, grafen poddany eksfoliacji ultradźwiękowej modyfikuje się polisacharydami / biopolimerami, takimi jak pullulan, chitozan, alginian, żelatyna lub guma arabska.

Procedura bezpośredniej eksfoliacji grafitu za pomocą ultradźwięków

Niejonowy pullulan i anionowy alginian (1,0 g) rozpuszczono oddzielnie w 20 ml wody destylowanej, natomiast kationowy chitozan (0,4 g) rozpuszczono w 20 ml wody destylowanej zawierającej 1 wt% kwasu octowego. Proszek grafitowy zdyspergowano w wodnych roztworach biopolimerów i poddano obróbce za pomocą sonikatora sondowego UP200S (maksymalna moc 200 W, częstotliwość 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Niemcy) wyposażonego w tytanową sonotrodę (mikrokońcówka S3, średnica końcówki 3 mm, maksymalna amplituda 210µm, gęstość mocy akustycznej lub natężenie powierzchniowe 460 W cm-2) w następujących warunkach: ustawienie cyklu 0,5 i amplituda 50%, przez odpowiednio 10, 20, 30 i 60 min. Najlepsze wyniki uzyskano przy sonikacji trwającej 30min. Sonikację prowadzono z mocą 16,25 W przez 30 minut, przy zużyciu energii (energii dostarczonej na jednostkę objętości) wynoszącym 731 Ws ml-1.
Następnie mieszaniny wirowano przy 1500 rpm przez 60 min w celu usunięcia cząstek grafitu, które nie uległy eksfoliacji, po czym przemyto je 5 razy i ponownie wirowano przy 5000 rpm przez 20 min w celu usunięcia nadmiaru biopolimerów. Otrzymane ciemnoszare roztwory suszono próżniowo w temperaturze 40ºC aż do ustania ubytku masy. Uzyskane proszki polimer–grafen ponownie zdyspergowano w wodzie (1 mg ml-1 dla pullulanu i chitozanu; 0,18 mg ml-1 dla alginianu) w celu przeprowadzenia charakterystyki. Płatki grafenu otrzymane przez sonikację wspomaganą pullulanem, alginianem i chitozanem oznaczono odpowiednio jako pull-G, alg-G i chit-G.
Spośród trzech układów pullulan i chitozan były skuteczniejsze w eksfoliacji grafitu niż alginian. Metoda ta pozwoliła uzyskać eksfoliowane jedno-, dwu- i kilkuwarstwowe płatki grafenu z jedynie niewielką liczbą defektów bocznych (krawędziowych). Adsorpcja biopolimerów na powierzchni grafenu zapewnia długotrwałą stabilność (ponad 6 miesięcy) dyspersji wodnej.
(por. Unalan i in. 2015)

Sekwencja klatek zarejestrowanych z dużą szybkością (od a do f), ilustrująca sonomechaniczną eksfoliację płatka grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, sonikatora o mocy 200W z sonotrodą o średnicy 3 mm. Strzałki wskazują miejsce rozdzielania (eksfoliacji), w którym pęcherzyki kawitacyjne wnikają w szczelinę.
(badanie i zdjęcia: © Tyurnina i in. 2020

Sonikatory do eksfoliacji grafenu

Procesory ultradźwiękowe Hielscher o dużej mocy są stosowane na całym świecie do skutecznej eksfoliacji i dyspergowania grafitu oraz grafenu. Nasze dyspergatory ultradźwiękowe są dostępne w wersjach od urządzeń laboratoryjnych i stołowych po pełnowymiarowe przemysłowe urządzenia produkcyjne. Oprócz wytrzymałości, pracy w trybie 24/7 i niewielkich wymagań konserwacyjnych sonikatory Hielscher przekonują dużą łatwością prowadzenia procesów i liniową skalowalnością.
Procesy można łatwo testować i optymalizować w laboratorium. Następnie wszystkie wyniki procesu można przenieść w sposób całkowicie liniowy na skalę produkcji komercyjnej. Dzięki temu sonikacja jest skuteczną i wydajną metodą wytwarzania dużych ilości płatków grafenu wysokiej jakości.
Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy w trybie 24/7. Do uzyskiwania jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie. Odpowiednio dobrane reaktory ultradźwiękowe zapewniają możliwość niezawodnej i bezpiecznej masowej produkcji nanopłatków grafenu wysokiej jakości oraz stabilnych dyspersji nanopłatków.

Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających warunkach.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: