Nanoplaquetas de grafeno sintetizadas e dispersas via sonda-sonicação

Nanoplaquetas de grafeno (GNPs) podem ser sintetizadas e dispersas com alta eficiência e confiabilidade usando sonicators. Ultrasonication de alta intensidade é empregada para esfoliar grafite e obter grafeno de poucas camadas, muitas vezes referido como nanoplaquetas de grafeno. A sonicação também se destaca na obtenção de excelente distribuição de nanoplaquetas de grafeno em suspensões baixas e altamente viscosas.

Processamento de Nanoplaquetas de Grafeno – Resultados superiores com Sonication

Para o processamento de nanoplaquetas de grafeno, os sonicadores do tipo sonda são a ferramenta mais eficiente, confiável e fácil de usar. Uma vez que a ultrassonografia pode ser aplicada para síntese, dispersão e funcionalização de nanoplaquetas de grafeno, os sonicadores são usados para inúmeras aplicações relacionadas ao grafeno:

  • Esfoliação e Síntese Os sonicadores do tipo sonda são usados para esfoliar grafite em nanoplaquetas de grafeno ou grafeno de poucas camadas. A ultrassonografia de alta intensidade interrompe as forças intercamadas e quebra o grafite em folhas menores e individuais de grafeno.
  • Dispersão: Alcançar uma dispersão uniforme de nanoplaquetas de grafeno em um meio líquido é crucial para todas as aplicações relacionadas ao grafeno. Os sonicadores do tipo sonda podem dispersar as nanoplaquetas uniformemente por todo o líquido, evitando aglomeração e garantindo uma suspensão estável.
  • Funcionalização: A sonicação facilita a funcionalização das nanoplaquetas de grafeno, promovendo a fixação de grupos funcionais ou moléculas às suas superfícies. Essa funcionalização aumenta sua compatibilidade com polímeros ou materiais específicos.

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Dispersor ultra-sônico MultiSonoReactor com capacidade de dispersão de 16.000 watts para mistura de nanoplaquetas de grafeno em resinas expoy ou cimento.

Sistema de dispersão ultra-sônica para dispersão industrial em linha de nanoplaquetas de grafeno

Síntese de Nanoplaquetas de Grafeno via Sonicação

Nanoplaquetas de grafeno podem ser sintetizadas por esfoliação de grafite assistida por ultrassom. Portanto, uma suspensão de grafite é sonicada, usando um homogeneizador ultrassônico do tipo sonda. Este procedimento foi testado com concentrações de sólidos muito baixas (por exemplo, 4% ou menos) a elevadas (por exemplo, 10% em peso ou superior).
 
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.

Nanoplaquetas de grafeno empilhadas de poucas camadas sem defeitos são produzidas via sonicação

Imagens obtidas em microscópio eletrônico de transmissão de alta resolução de nanofolhas de grafeno
via dispersão de fase aquosa assistida por ultrassom e método de Hummer.
(Estudo e gráfico: Ghanem e Rehim, 2018)

 

Nanofluidos sintetizados ultrassonicamente são refrigerantes eficientes e líquidos trocadores de calor. Nanomateriais termocondutores, como nanoplaquetas de grafeno, aumentam significativamente a capacidade de transferência e dissipação de calor. A sonicação está bem estabelecida na síntese e funcionalização de nanopartículas termocondutoras, como as nanoplaquetas de grafeno.

CNTs dispersantes em Polietilenoglicol (PEG) - Hielscher Ultrasonics

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Qual a diferença entre folhas de grafeno e nanoplaquetas?

Folhas de grafeno e nanoplaquetas de grafeno são ambos nanomateriais compostos de grafeno, que é uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal. Às vezes, folhas de grafeno e nanoplaquetas de grafeno são usadas como termos intercambiáveis. Mas, cientificamente, existem algumas diferenças entre esses nanomateriais de grafeno: a principal diferença entre folhas de grafeno e nanoplaquetas de grafeno está em sua estrutura e espessura. As folhas de grafeno consistem em uma única camada de átomos de carbono e são excepcionalmente finas, enquanto as nanoplaquetas de grafeno são mais espessas e compostas por várias camadas de grafeno empilhadas. Essas diferenças estruturais podem afetar suas propriedades e adequação para aplicações específicas. O uso de sonicadores do tipo sonda é uma técnica altamente eficaz e eficiente para sintetizar, dispersar e funcionalizar folhas de grafeno de camada única, bem como nanoplaquetas de grafeno empilhadas de poucas camadas.

A esfoliação com grafite usando o sonicador tipo sonda UP100H forneceu nanoplaquetas de grafeno puro

Visualização gráfica da síntese ultra-sônica de nanoplaquetas de grafeno utilizando o sonicator UP100H
(Estudo e gráfico: Ghanem e Rehim, 2018)

Ultrasonicator tipo sonda UP400St para dispersão de nanopartículas, como nanoplaquetas de grafeno em uma suspensão aquosa estável.

Sonicator tipo sonda UP400St para a preparação de dispersões de nanoplaquetas de grafeno

Dispersão de Nanoplaquetas de Grafeno utilizando Sonicação

A dispersão uniforme de nanoplaquetas de grafeno (GNPs) é crucial em diversas aplicações, pois impacta diretamente nas propriedades e no desempenho dos materiais ou produtos resultantes. Portanto, sonicators são instalados para dispersões de nanoplaquetas de grafeno em várias indústrias. As seguintes indústrias são exemplos proeminentes para o uso de ultrassom de potência:
 

  • Nanocompósitos: As nanoplaquetas de grafeno podem ser incorporadas em vários materiais nanocompósitos, como polímeros, para melhorar suas propriedades mecânicas, elétricas e térmicas. Os sonicadores do tipo sonda ajudam a dispersar uniformemente as nanoplaquetas dentro da matriz polimérica, resultando em melhor desempenho do material.
  • Eletrodos e Baterias: As nanoplaquetas de grafeno são utilizadas no desenvolvimento de eletrodos de alto desempenho para baterias e supercapacitores. A sonicação ajuda a criar materiais eletrodos à base de grafeno bem dispersos com maior área de superfície, o que melhora as capacidades de armazenamento de energia.
  • Catálise: A sonicação pode ser usada para preparar materiais catalíticos baseados em nanoplaquetas de grafeno. A dispersão uniforme de nanopartículas catalíticas na superfície do grafeno pode aumentar a atividade catalítica em várias reações.
  • Sensores: As nanoplaquetas de grafeno podem ser empregadas na fabricação de sensores para diversas aplicações, incluindo sensoriamento de gases, biosensoriamento e monitoramento ambiental. A sonicação garante uma distribuição homogênea das nanoplaquetas nos materiais sensores, levando a uma melhor sensibilidade e desempenho.
  • Revestimentos e Filmes: Os sonicadores do tipo sonda são usados para preparar revestimentos e filmes baseados em nanoplaquetas de grafeno para aplicações em revestimentos eletrônicos, aeroespaciais e protetores. A dispersão uniforme e a aderência adequada aos substratos são cruciais para essas aplicações.
  • Aplicações Biomédicas: Em aplicações biomédicas, as nanoplaquetas de grafeno podem ser usadas para liberação de fármacos, imagens e engenharia de tecidos. A sonicação auxilia na preparação de nanopartículas à base de grafeno e compósitos utilizados nessas aplicações.
Nanoplaquetas de grafeno podem ser sintetizadas e dispersas com sucesso via processamento ultra-sônico.

Imagens de microscopia eletrônica de varredura de nanoplaquetas de grafeno em (b) X3000 e (c) X8000
(Estudo e imagens: ©Alizadeh et al., 2018)

Os nanofluidos sintetizados por ultrassom são refrigerantes eficientes e líquidos trocadores de calor. Os nanomateriais termocondutores aumentam significativamente a transferência de calor e a capacidade de dissipação de calor. A sonicação está bem estabelecida na síntese e funcionalização de nanopartículas termocondutoras, bem como na produção de nanofluidos estáveis de alto desempenho para aplicações de resfriamento.

Dispersão de CNTs em Polietilenoglicol (PEG)

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Resultados comprovados cientificamente para dispersões de nanoplaquetas de grafeno ultra-sônico

Os cientistas usaram sonicators Hielscher para a síntese e dispersão de nanoplaquetas de grafeno em numerosos estudos e testaram os efeitos da ultrassonografia vigorosamente. Abaixo, você pode encontrar alguns exemplos para a mistura bem-sucedida de nanoplaquetas de grafeno em diferentes misturas, como polpas aquosas, resinas expoy ou argamassa.
 
Um procedimento comum para a dispersão confiável e rápida e uniforme de nanoplaquetas de grafeno é o seguinte procedimento:
Para a dispersão, as nanoplaquetas de grafeno foram sonicadas dentro de acetona pura usando o misturador ultrassônico Hielscher UP400S por quase uma hora, a fim de evitar uma aglomeração de folhas de grafeno. A acetona foi completamente removida por evaporação. Em seguida, as nanoplaquetas de grafeno foram adicionadas a 1% em peso do sistema epóxi e sonicada na resina epóxi a 90W por 15 minutos.
(Cf. Cakir et al., 2016)
 
Outro estudo investiga o reforço de nanofluidos à base de líquidos iônicos (ionanofluidos) pela adição de nanoplaquetas de grafeno. Para uma dispersão superior, a mistura de nanoplaquetas de grafeno, líquido iônico e dodecil benzeno sulfonato de sódio foi homogeneizada usando o sonicador tipo sonda Hielscher UP200S por cerca de 90 min.
(Cf. Alizadeh et al., 2018)

 
(2019) relatam a incorporação efetiva de nanoplaquetas de grafeno na argamassa. Portanto, suspensões aquosas de grafeno foram produzidas pela adição de nanoplaquetas – em pesos inscritos pelos conteúdos-alvo desejáveis nos materiais resultantes – em misturas de água de torneira comum e plastificante e subsequente agitação magnética por 2 min. As suspensões foram homogeneizadas por ultrassonografia por 90 min à temperatura ambiente, utilizando-se um dispositivo Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) equipado com um sonotrodo de 22mm, fornecendo um rendimento de potência de 4500 J/min a uma frequência de 24 kHz. A combinação específica de taxa de energia e duração da sonicação foi estabelecida como ótima após uma investigação meticulosa do efeito dos parâmetros de ultrassom da qualidade da suspensão.
(Cf. Tragazikis et al., 2019)
 
(2018) afirmam em sua pesquisa que uma técnica de dispersão adequada, como a sonicação, garante que nanomateriais como nanoplaquetas de grafeno possam melhorar as propriedades de materiais de preenchimento. Isso se deve ao fato de que a dispersão é um dos fatores mais importantes para a produção de nanocompósitos de alta qualidade, como o rejunte epóxi.

As nanoplaquetas de grafeno melhoram as características térmicas dos nanofluidos iônicos. Para melhores resultados de dispersão, as nanoplaquetas foram dispersas ultrassonicamente no nanofluido usando o sonicador do tipo sonda Hielscher UP400S

Amostra de BMIM-PF6 puro (esquerda) e ionanofluido preparado ultrassonicamente a 2% em peso (direita).
(Estudo e imagens: ©Alizadeh et al., 2018)

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Sonicators de alto desempenho para processamento de nanoplaquetas de grafeno

Hielscher Ultrasonics é líder de mercado quando se trata de ultrasonicators de alto desempenho para processamento de nanomateriais. Os sonicadores do tipo sonda Hielscher são usados em todo o mundo em laboratórios e ambientes industriais para várias aplicações, incluindo o processamento de nanoplaquetas de grafeno.
Tecnologia de ponta, artesanato e engenharia alemã, bem como experiência técnica de longa data fazem da Hielscher Ultrasonics seu parceiro preferido para uma aplicação ultrassônica bem-sucedida.

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Design, Fabricação e Consultoria – Qualidade Made in Germany

Os ultrasonicators Hielscher são bem conhecidos por seus mais altos padrões de qualidade e design. A robustez e a fácil operação permitem a integração suave de nossos ultrasonicators em instalações industriais. Condições adversas e ambientes exigentes são facilmente manuseados por ultrassonicators Hielscher.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada ISO e coloca ênfase especial em ultrasonicators de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de uso. Naturalmente, os ultrasonicators Hielscher são compatíveis com CE e atendem aos requisitos da UL, CSA e RoHs.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Volume batchQuociente de vazãoDispositivos Recomendados
00,5 a 1,5 mLn / D.VialTweeter
1 a 500mL10 a 200 mL / minUP100H
10 a 2000 mL20 a 400 mL / minUP200Ht, UP400St
0.1 a 20L00,2 a 4 L / minUIP2000hdT
10 a 100L2 de 10L / minUIP4000hdT
15 a 150L3 a 15L/minUIP6000hdT
n / D.10 a 100L / minUIP16000
n / D.maioraglomerado de UIP16000

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Homogeneizadores ultrassônicos de alta cisalhamento são usados em laboratório, bancada, piloto e processamento industrial.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratoria, piloto e industrial.



Literatura / Referências

Fatos, vale a pena conhecer

Folhas de Grafeno vs Nanoplaquetas de Grafeno

Tanto as folhas de grafeno quanto as nanoplaquetas de grafeno são nanoestruturas derivadas do grafite. A tabela abaixo destaca as diferenças mais proeminentes entre folhas de grafeno e nanoplaquetas de grafeno.
 

Diferenciaçãofolhas de grafenoNanoplaquetas de Grafeno
EstruturaAs folhas de grafeno são tipicamente camadas únicas de grafeno com uma estrutura bidimensional. Podem ser muito grandes e contínuos, estendendo-se sobre áreas macroscópicas.As nanoplaquetas de grafeno são menores e mais espessas em comparação com folhas individuais de grafeno. Eles consistem em várias camadas de grafeno empilhadas umas sobre as outras, formando estruturas semelhantes a plaquetas. O número de camadas em uma nanoplaqueta pode variar, mas normalmente está na faixa de algumas a várias dezenas de camadas
EspessuraEstas são estruturas de grafeno de camada única, por isso são extremamente finas, normalmente com apenas um átomo de espessura.Elas são mais espessas do que as folhas de grafeno de camada única porque consistem em várias camadas de grafeno empilhadas juntas. A espessura das nanoplaquetas de grafeno depende do número de camadas que elas contêm.
PropriedadesAs folhas de grafeno de camada única têm propriedades excepcionais, como alta condutividade elétrica, condutividade térmica e resistência mecânica. Eles também exibem propriedades eletrônicas únicas, como efeitos de confinamento quântico.As nanoplaquetas de grafeno retêm algumas das excelentes propriedades do grafeno, como alta condutividade elétrica e térmica, mas podem não ser tão excepcionais quanto o grafeno de camada única nesses aspectos devido à presença de múltiplas camadas. No entanto, eles ainda oferecem vantagens sobre os materiais de carbono tradicionais.
AplicaçõesAs folhas de grafeno de camada única têm uma ampla gama de aplicações potenciais, incluindo eletrônica, nanocompósitos, sensores e muito mais. Eles são frequentemente usados por suas propriedades eletrônicas excepcionais.As nanoplaquetas de grafeno são utilizadas em diversas aplicações, como materiais de reforço em compósitos, lubrificantes, dispositivos de armazenamento de energia e como aditivos para melhorar as propriedades de outros materiais. Sua estrutura mais espessa os torna mais fáceis de dispersar em certas matrizes em comparação com o grafeno de camada única.

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