Óxido de grafeno – Exfoliação e dispersão ultrassónicas

A exfoliação ultrassónica é uma técnica amplamente utilizada para produzir óxido de grafeno através da separação do óxido de grafito em folhas finas de grafeno, de uma ou poucas camadas. Os sonicadores Hielscher criam cavitação acústica intensa, na qual ondas ultrassónicas com elevada densidade de energia geram microbolhas de alta energia num meio líquido. O colapso destas bolhas cria forças de cisalhamento que separam as camadas de óxido de grafito, exfoliando-as eficazmente em nanofolhas de óxido de grafeno. Tire partido dos ultrassons de elevado desempenho para levar a sua aplicação à base de óxido de grafeno ao próximo nível!

Exfoliação ultrassónica de óxido de grafeno

O óxido de grafeno é solúvel em água, anfifílico, não tóxico, biodegradável e pode ser facilmente disperso em coloides estáveis. A exfoliação e a dispersão ultrassónicas constituem um método muito eficiente, rápido e económico para sintetizar, dispersar e funcionalizar óxido de grafeno à escala industrial. No processamento a jusante, os dispersores ultrassónicos produzem compósitos de óxido de grafeno e polímero de elevado desempenho.

Vantagens da exfoliação ultrassónica

A exfoliação ultrassónica oferece várias vantagens, incluindo simplicidade, escalabilidade e respeito pelo ambiente, uma vez que, normalmente, não requer produtos químicos agressivos nem processamento complexo. Além disso, permite um controlo preciso do tamanho e da espessura das nanofolhas de óxido de grafeno, crucial para ajustar as suas propriedades em várias aplicações.

O vídeo mostra a mistura e dispersão ultrassónica de grafite em 250mL de resina epóxi (Toolcraft L), utilizando um homogeneizador ultrassónico (UP400St, Hielscher Ultrasonics). A Hielscher Ultrasonics fabrica equipamentos para dispersar grafite, grafeno, nanotubos de carbono, nanofios ou cargas em laboratório ou em processos de produção de grande volume. As aplicações típicas incluem a dispersão de nanomateriais e micromateriais durante o processo de funcionalização ou a sua dispersão em resinas ou polímeros.

Protocolo: exfoliação ultrassónica de óxido de grafeno

Para controlar o tamanho das nanofolhas de óxido de grafeno (GO), o método de exfoliação desempenha um papel fundamental. Graças aos seus parâmetros de processo controláveis com precisão, a exfoliação ultrassónica é a técnica de delaminação mais amplamente utilizada para a produção de grafeno e óxido de grafeno de elevada qualidade.
Estão disponíveis vários protocolos para a exfoliação ultrassónica de óxido de grafeno a partir de óxido de grafito. Apresenta-se abaixo um exemplo de protocolo para a exfoliação ultrassónica de óxido de grafeno:
O pó de óxido de grafito é misturado numa solução aquosa de KOH com um valor de pH de 10. Para a exfoliação e a subsequente dispersão, utiliza-se o sonicador de sonda UP200St (200W). Em seguida, os iões K+ são ligados ao plano basal do grafeno para induzir um processo de envelhecimento. O envelhecimento é realizado por evaporação rotativa (2 h). Para remover os iões K+ em excesso, o pó é lavado e centrifugado várias vezes.
A mistura obtida é centrifugada e liofilizada, de modo a precipitar um pó de óxido de grafeno dispersível.
Preparação de uma pasta condutora de óxido de grafeno: o pó de óxido de grafeno pode ser disperso em dimetilformamida (DMF) sob sonicação para produzir uma pasta condutora. (Han et al.2014)

A exfoliação ultrassónica é amplamente utilizada para produzir nanofolhas de grafeno e óxido de grafeno. Os sistemas ultrassónicos Hielscher destacam-se como uma técnica muito eficiente, económica e rápida para a síntese de grafeno, sendo utilizados para grandes caudais de suspensões e para a produção em massa de grafeno.
Fonte da imagem: 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.

O mecanismo de exfoliação ultrassónica de óxido de grafeno
(Imagem: Potts et al. 2011)

Funcionalização ultrassónica de óxido de grafeno

A sonicação é utilizada com sucesso para incorporar óxido de grafeno (GO) em polímeros e compósitos.
Exemplos:

compósito de microesferas de óxido de grafeno-TiO2
compósito de poliestireno-magnetite-óxido de grafeno (com estrutura núcleo–invólucro)
compósitos de poliestireno e óxido de grafeno reduzido
compósito núcleo–invólucro de poliestireno/óxido de grafeno revestido com nanofibras de polianilina (PANI-PS/GO)
óxido de grafeno intercalado com poliestireno
óxido de grafeno modificado com p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene

Aplicações do óxido de grafeno produzido por exfoliação ultrassónica

O óxido de grafeno produzido por exfoliação ultrassónica tem uma ampla gama de aplicações em diversas áreas. Na eletrónica, é utilizado em películas condutoras flexíveis e sensores; no armazenamento de energia, melhora o desempenho de baterias e supercondensadores. As propriedades antibacterianas do óxido de grafeno tornam-no valioso em aplicações biomédicas, enquanto a sua elevada área superficial e os seus grupos funcionais são vantajosos na catálise e na remediação ambiental. De um modo geral, a exfoliação ultrassónica facilita a produção eficiente de óxido de grafeno de elevada qualidade para utilização em tecnologias de ponta.

Aprenda a produzir grafeno monocamada de elevada qualidade por esfoliação ultrassónica com sonicadores de sonda de alta potência. A sonicação é um método simples, eficiente e escalável para produzir dispersões de grafeno com rendimentos elevados e folhas de excelente qualidade.

Sonicadores para o processamento de grafeno e óxido de grafeno

A Hielscher Ultrasonics disponibiliza sistemas ultrassónicos de elevada potência para exfoliar, dispersar e processar grafeno e óxido de grafeno. Os processadores ultrassónicos fiáveis e os reatores sofisticados proporcionam um controlo preciso, permitindo ajustar os processos ultrassónicos aos objetivos pretendidos.
Um parâmetro crucial é a amplitude ultrassónica, que determina a expansão e a contração vibratórias da sonda ultrassónica. Os sonicadores industriais Hielscher fornecem amplitudes elevadas, até 200µm, em funcionamento contínuo 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sondas ultrassónicas personalizadas. Todos os processadores podem ser ajustados com precisão às condições de processo e monitorizados através de software integrado, garantindo fiabilidade, qualidade constante e resultados reprodutíveis.
Os sonicadores Hielscher são robustos e podem funcionar continuamente em ambientes exigentes, tornando a sonicação a tecnologia de produção preferida para a preparação de grafeno, óxido de grafeno e materiais grafíticos em grande escala.
Uma vasta gama de sonicadores e acessórios, incluindo sonotrodos e reatores com vários tamanhos e geometrias, permite selecionar as condições e os fatores de reação ideais, como reagentes, energia ultrassónica fornecida, pressão, temperatura e caudal, para alcançar a mais elevada qualidade. Os reatores ultrassónicos Hielscher podem mesmo ser pressurizados até várias centenas de barg, permitindo a sonicação de pastas altamente viscosas com viscosidades superiores a 250 000 centipoise.
A delaminação e a exfoliação ultrassónicas superam as técnicas convencionais devido a estes fatores.

Para saber mais sobre a síntese, a dispersão e a funcionalização ultrassónicas de grafeno, clique aqui:

Informações úteis

Ultrassons e cavitação: como é exfoliado o grafito em óxido de grafeno através da sonicação?

A exfoliação ultrassónica de óxido de grafito (GrO) baseia-se na elevada força de cisalhamento induzida pela cavitação acústica. A cavitação acústica surge devido aos ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão, gerados pelo acoplamento de ondas ultrassónicas potentes num líquido. Durante os ciclos de baixa pressão, formam-se cavidades muito pequenas ou bolhas de vácuo, que crescem ao longo dos ciclos alternados de baixa pressão. Quando as bolhas de vácuo atingem um tamanho que já não lhes permite absorver mais energia, colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. A implosão das bolhas origina forças de cisalhamento cavitacional e ondas de tensão, temperaturas extremas de até 6000K, velocidades de arrefecimento extremas superiores a 10¹⁰K/s, pressões muito elevadas de até 2000atm, diferenciais de pressão extremos, bem como jatos de líquido com velocidades de até 1000km/h (∼280m/s).
Estas forças intensas afetam as pilhas de camadas de grafito, que são delaminadas em nanofolhas de óxido de grafeno e de grafeno pristino, de uma ou poucas camadas.

O que é o óxido de grafeno?

O óxido de grafeno (GO) é sintetizado por exfoliação de óxido de grafito (GrO). Enquanto o óxido de grafito é um material 3D constituído por milhões de camadas de grafeno com oxigénio intercalado, o óxido de grafeno é grafeno de uma ou poucas camadas, oxigenado em ambos os lados.
O óxido de grafeno e o grafeno diferem nas seguintes características: o óxido de grafeno é polar, enquanto o grafeno é apolar. O óxido de grafeno é hidrofílico, enquanto o grafeno é hidrofóbico.
Isto significa que o óxido de grafeno é solúvel em água, anfifílico, não tóxico, biodegradável e forma suspensões coloidais estáveis. A superfície do óxido de grafeno contém grupos epóxi, hidroxilo e carboxilo, disponíveis para interagir com catiões e aniões. Devido à sua estrutura híbrida orgânica–inorgânica única e às suas propriedades excecionais, os compósitos de GO e polímero oferecem elevado potencial para múltiplas aplicações industriais. (Tolasz et al. 2014)

O que é o óxido de grafeno reduzido?

O óxido de grafeno reduzido (rGO) é produzido por redução ultrassónica, química ou térmica do óxido de grafeno. Durante a etapa de redução, a maioria dos grupos funcionais que contêm oxigénio do óxido de grafeno é removida, pelo que o óxido de grafeno reduzido (rGO) resultante apresenta características muito semelhantes às do grafeno pristino. No entanto, o óxido de grafeno reduzido (rGO) não é isento de defeitos nem pristino como o grafeno puro.

Bibliografia/Referências

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.
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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.