óxido de grafeno – Esfoliação e dispersão ultrassônica
A esfoliação ultrassônica é uma técnica amplamente utilizada para produzir óxido de grafeno, quebrando o óxido de grafite em folhas de grafeno finas, de uma ou poucas camadas. Os sonicadores Hielscher criam cavitação acústica intensa, onde ondas ultrassônicas densas em energia geram microbolhas de alta energia em um meio líquido. Essas bolhas em colapso criam forças de cisalhamento que separam as camadas de óxido de grafite, esfoliando-as efetivamente em nanofolhas de óxido de grafeno. Aproveite o ultrassom de alto desempenho para levar sua aplicação à base de óxido de grafeno para o próximo nível!
Esfoliação ultrassônica de óxido de grafeno
O óxido de grafeno é solúvel em água, anfifílico, não tóxico, biodegradável e pode ser facilmente disperso em colóides estáveis. A esfoliação e dispersão ultrassônica é um método muito eficiente, rápido e econômico para sintetizar, dispersar e funcionalizar o óxido de grafeno em escala industrial. No processamento a jusante, os dispersores ultrassônicos produzem compósitos de polímero de óxido de grafeno de alto desempenho.
Vantagens da esfoliação ultrassônica
A esfoliação ultrassônica oferece várias vantagens, incluindo simplicidade, escalabilidade e respeito ao meio ambiente, pois normalmente não requer produtos químicos agressivos ou processamento complexo. Além disso, permite um controle preciso sobre o tamanho e a espessura das nanofolhas de óxido de grafeno, cruciais para ajustar suas propriedades em várias aplicações.
Sonicador industrial UIP16000hdT para esfoliação de óxido de grafeno com alto rendimento
Protocolo: Esfoliação ultrassônica de óxido de grafeno
Para controlar o tamanho das nanofolhas de óxido de grafeno (GO), o método de esfoliação desempenha um fator chave. Devido aos seus parâmetros de processo precisamente controláveis, a esfoliação ultrassônica é a técnica de delaminação mais amplamente utilizada para a produção de grafeno e óxido de grafeno de alta qualidade.
Para a esfoliação ultrassônica de óxido de grafeno a partir de óxido de grafite, vários protocolos estão disponíveis. Encontre um protocolo exemplar para esfoliação ultrassônica de óxido de grafeno abaixo:
O pó de óxido de grafite é misturado em KOH aquoso com o valor de pH 10. Para a esfoliação e posterior dispersão, utiliza-se o ultrassônico tipo sonda UP200St (200W). Posteriormente, os íons K+ são ligados ao plano basal do grafeno para induzir um processo de envelhecimento. O envelhecimento é obtido sob evaporação rotativa (2 h). Para remover o excesso de íons K+, o pó é lavado e centrifugado várias vezes.
A mistura obtida é centrifugada e liofilizada, de modo que um pó de óxido de grafeno dispersível precipite.
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)
O mecanismo de esfoliação ultrassônica de óxido de grafeno
(Pic .: Potts et al. 2011)
Funcionalização ultrassônica de óxido de grafeno
A sonicação é usada com sucesso para incorporar óxido de grafeno (GO) em polímeros e compósitos.
Exemplos:
- compósito de microesferas de óxido de grafeno-TiO2
- composto de óxido de poliestireno-magnetita-grafeno (estruturado núcleo-casca)
- compósitos de óxido de grafeno reduzido em poliestireno
- composto de núcleo de poliestireno / óxido de grafeno revestido com nanofibra de polianilina (PANI-PS / GO)
- óxido de grafeno intercalado em poliestireno
- óxido de grafeno modificado com p-fenilenodiamina-4vinilbenzeno-poliestireno
Ultrassonicador UP400St para a preparação de dispersões de nanoplaquetas de grafeno
Aplicações de óxido de grafeno produzido por esfoliação ultrassônica
O óxido de grafeno produzido por esfoliação ultrassônica tem amplas aplicações em diversos campos. Em eletrônica, é usado em filmes e sensores condutores flexíveis; No armazenamento de energia, melhora o desempenho de baterias e supercapacitores. As propriedades antibacterianas do óxido de grafeno o tornam valioso em aplicações biomédicas, enquanto sua alta área superficial e grupos funcionais são vantajosos na catálise e remediação ambiental. No geral, a esfoliação ultrassônica facilita a produção eficiente de óxido de grafeno de alta qualidade para uso em tecnologias de ponta.
Sonicadores para processamento de grafeno e óxido de grafeno
A Hielscher Ultrasonics oferece sistemas ultrassônicos de alta potência para esfoliar, dispersar e processar grafeno e óxido de grafeno. Processadores ultrassônicos confiáveis e reatores sofisticados fornecem controle preciso, permitindo o ajuste de processos ultrassônicos para os objetivos desejados.
Um parâmetro crucial é a amplitude ultrassônica, que determina a expansão e contração vibracional da sonda ultrassônica. Os ultrasonicadores industriais Hielscher oferecem altas amplitudes, de até 200 μm, funcionando continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sondas ultrassônicas personalizadas. Todos os processadores podem ser ajustados com precisão às condições do processo e monitorados por meio de software integrado, garantindo confiabilidade, qualidade consistente e resultados reprodutíveis.
Os sonicadores Hielscher são robustos e podem operar continuamente em ambientes pesados, tornando a sonicação a tecnologia de produção preferida para grafeno, óxido de grafeno e preparação de material grafítico em larga escala.
Uma ampla gama de produtos de ultrassonicadores e acessórios, incluindo sonotrodos e reatores com vários tamanhos e geometrias, permite a seleção de condições e fatores de reação ideais, como reagentes, entrada de energia ultrassônica, pressão, temperatura e vazão, para obter a mais alta qualidade. Os reatores ultrassônicos da Hielscher podem até pressurizar até várias centenas de barg, permitindo a sonicação de pastas altamente viscosas com viscosidades superiores a 250.000 centipoise.
A delaminação e a esfoliação ultrassônicas superam as técnicas convencionais devido a esses fatores.
- Alta potência
- Altas forças de cisalhamento
- Altas pressões aplicáveis
- Controle preciso
- Escalabilidade perfeita (linear)
- batelada e contínua
- Resultados reprodutíveis
- fiabilidade
- Robustez
- Alta eficiência energética
Sistema ultrassônico para esfoliação de óxido de grafeno
Para saber mais sobre síntese, dispersão e funcionalização de grafeno ultrassônico, clique aqui:
- Produção de grafeno
- Nanoplaquetas de grafeno
- Esfoliação de grafeno à base de água
- grafeno dispersível em água
- óxido de grafeno
- xenes
Fatos, vale a pena conhecer
Ultrassom e cavitação: como o grafite é esfoliado em óxido de grafeno usando sonicação?
A esfoliação ultrassônica de óxido de grafite (GrO) é baseada na alta força de cisalhamento induzida pela cavitação acústica. A cavitação acústica surge devido aos ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão, que são gerados pelo acoplamento de poderosas ondas de ultrassom em um líquido. Durante os ciclos de baixa pressão, ocorrem vazios muito pequenos ou bolhas de vácuo, que crescem ao longo dos ciclos alternados de baixa pressão. Quando as bolhas de vácuo atingem um tamanho em que não podem absorver mais energia, elas colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. A implosão da bolha resulta em forças de cisalhamento cavitacionais e ondas de tensão, temperatura extrema de até 6000K, taxas de resfriamento extremas acima de 1010K/s, pressões muito altas de até 2000atm, diferenciais de pressão extrema, bem como jatos de líquido com até 1000km/h (∼280m/s).
Essas forças intensas afetam as pilhas de grafite, que são delaminadas em óxido de grafeno de camada única ou pequena e nanofolhas de grafeno imaculadas.
O que é óxido de grafeno?
O óxido de grafeno (GO) é sintetizado por óxido de grafite esfoliante (GrO). Enquanto o óxido de grafite é um material 3D que consiste em milhões de camadas de camadas de grafeno com oxigênios intercalados, o óxido de grafeno é um grafeno de mono ou poucas camadas que é oxigenado em ambos os lados.
O óxido de grafeno e o grafeno diferem um do outro 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.
Isso 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, hidroxila e carboxila, que estão disponíveis para interagir com cátions e ânions. Devido à sua estrutura híbrida orgânica-inorgânica única e propriedades excepcionais, os compósitos de polímero GO oferecem alto potencial para diversas aplicações industriais. (Tolasz et al. 2014)
O que é óxido de grafeno reduzido?
O óxido de grafeno reduzido (rGO) é produzido por redução ultrassônica, química ou térmica do óxido de grafeno. Durante a etapa de redução, a maioria das funcionalidades de oxigênio do óxido de grafeno são removidas para que o óxido de grafeno reduzido resultante (rGO) tenha características muito semelhantes ao grafeno puro. No entanto, o óxido de grafeno reduzido (rGO) não é isento de defeitos e puro
Literatura/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.
- 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.