Exfoliação ultrassónica de grafeno dispersável em água

• Podem produzir-se rapidamente nanofolhas de grafeno de uma e duas camadas através de exfoliação ultrassónica, com elevada capacidade de processamento e a baixo custo.
• O grafeno exfoliado por ultrassons pode ser funcionalizado com biopolímeros para obter grafeno dispersável em água.
• Através da cavitação ultrassónica, o grafeno sintetizado pode ser posteriormente processado para obter uma dispersão estável de base aquosa.

Exfoliação ultrassónica de grafeno de elevada qualidade

A sonicação é um método fiável para produzir camadas de grafeno (grafeno de uma, duas e poucas camadas) a partir de flocos ou partículas de grafite. Enquanto outras técnicas comuns de exfoliação, como os moinhos de bolas e de rolos ou os misturadores de elevado cisalhamento, estão associadas a uma baixa qualidade e à utilização de reagentes e solventes agressivos, o método de exfoliação ultrassónica destaca-se pela elevada qualidade do produto obtido, pela elevada capacidade de processamento e pelas condições de processamento suaves.
A cavitação ultrassónica cria forças de cisalhamento intensas, que separam as camadas de grafite empilhadas em grafeno de uma, duas e poucas camadas sem defeitos.

Folhas de grafeno dispersáveis em água através de sonicação

A sonicação é um procedimento eficaz, com resultados repetíveis, para desemaranhar nanotubos de carbono em água ou solventes orgânicos.[/caption]Em condições normais, o grafeno é dificilmente dispersável em água e forma agregados e aglomerados quando é disperso num meio aquoso. Como os sistemas aquosos apresentam vantagens significativas por serem económicos, não tóxicos e respeitadores do ambiente, os sistemas de grafeno de base aquosa são altamente atrativos para os fabricantes de grafeno e para a indústria a jusante.
Para obter nanofolhas de grafeno dispersáveis em água, o grafeno exfoliado por ultrassons é modificado com polissacáridos / biopolímeros, como pululano, quitosano, alginato, gelatina ou goma arábica.

Protocolo de exfoliação direta de grafite utilizando ultrassons

O pululano não iónico e o alginato aniónico (1,0 g) foram dissolvidos separadamente em 20 ml de água destilada, enquanto o quitosano catiónico (0,4 g) foi dissolvido em 20 ml de água destilada com 1 wt% de ácido acético. O pó de grafite foi disperso nas soluções aquosas de biopolímeros e tratado utilizando um sonicador de sonda UP200S (potência máxima de 200 W, frequência de 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Alemanha), equipado com um sonotrodo de titânio (microponta S3, diâmetro da ponta de 3 mm, amplitude máxima de 210µm, densidade de potência acústica ou intensidade superficial de 460 W cm-2), nas seguintes condições: ciclo de 0,5 e amplitude de 50%, durante períodos de 10, 20, 30 e 60 min, respetivamente. Os melhores resultados foram obtidos com 30min de sonicação. A sonicação foi aplicada com uma potência de 16,25 W durante 30 minutos, com um consumo de energia (energia fornecida por unidade de volume) de 731 Ws ml-1.
Posteriormente, as misturas foram centrifugadas a 1500 rpm durante 60 min para remover as partículas de grafite não exfoliadas, sendo depois lavadas 5 vezes e novamente centrifugadas a 5000 rpm durante 20 min para remover os biopolímeros em excesso. As soluções cinzento-escuras resultantes foram secas sob vácuo a 40ºC até deixarem de perder massa. Os pós de polímero–grafeno resultantes foram redispersos em água (1 mg ml-1 para o pululano e o quitosano; 0,18 mg ml-1 para o alginato) para caracterização. As folhas de grafeno obtidas por sonicação assistida por pululano, alginato e quitosano foram designadas pull-G, alg-G e chit-G, respetivamente.
Dos três sistemas, o pululano e o quitosano foram mais eficazes na exfoliação da grafite do que o alginato. Este método produziu folhas exfoliadas de grafeno de uma, duas e poucas camadas, com apenas um baixo nível de defeitos laterais (nas bordas). A adsorção dos biopolímeros na superfície do grafeno proporciona uma estabilidade duradoura (mais de 6 meses) da dispersão aquosa.
(cf. Unalan et al. 2015)

Uma sequência de fotogramas captados a alta velocidade (de a a f), que ilustra a exfoliação sonomecânica de um floco de grafite em água utilizando o UP200S, um sonicador de 200W com um sonotrodo de 3 mm. As setas indicam o local de separação (exfoliação), com bolhas de cavitação a penetrar na fenda.
(estudo e imagens: © Tyurnina et al. 2020

Sonicadores para exfoliação de grafeno

Os processadores ultrassónicos de elevada potência da Hielscher são utilizados em todo o mundo para a exfoliação e dispersão bem-sucedidas de grafite e grafeno. Os nossos dispersores ultrassónicos estão disponíveis desde unidades de laboratório e de bancada até unidades de produção totalmente industrial. Além da robustez, do funcionamento 24/7 e da reduzida necessidade de manutenção, os sonicadores Hielscher destacam-se pela grande facilidade de processamento e pela escalabilidade linear.
Os processos podem ser facilmente testados e otimizados no laboratório. Posteriormente, todos os resultados dos processos podem ser transpostos de forma totalmente linear para a escala de produção comercial. Isto torna a sonicação um método de produção eficaz e eficiente para grandes volumes de folhas de grafeno de elevada qualidade.
Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. É possível manter facilmente amplitudes de até 200µm de forma contínua em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. Os reatores ultrassónicos adequados asseguram a capacidade de produção em massa fiável e segura de nanofolhas de grafeno de elevada qualidade, bem como de dispersões estáveis de nanofolhas.

A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço intensivo e em ambientes exigentes.
A tabela abaixo dá uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: