Esfoliação ultrassônica de grafeno dispersível em água
- As nanofolhas de grafeno mono e bicamada podem ser produzidas rapidamente por meio de esfoliação ultrassônica com alto rendimento e baixo custo.
- O grafeno esfoliado por ultrassom pode ser funcionalizado com biopolímeros para obter grafeno dispersível em água.
- Por cavitação ultrassônica, o grafeno sintetizado pode ser processado em uma dispersão estável à base de água.
Esfoliação ultrassônica de grafeno de alta qualidade
A ultrassonografia é um método confiável para produzir camadas de grafeno (grafeno mono, bi e poucas camadas) a partir de flocos ou partículas de grafite. Enquanto outras técnicas comuns de esfoliação, como moinhos de bolas e rolos ou misturadores de alto cisalhamento, estão ligadas à baixa qualidade e ao uso de reagentes e solventes agressivos, o método de esfoliação ultrassônica convence por sua saída de alta qualidade, alta capacidade de processo e condições de processamento suaves.
A cavitação ultrassônica cria forças de cisalhamento intensas, que separam as camadas de grafite empilhadas em mono, bi e poucas camadas de grafeno sem defeitos.
Folhas de grafeno dispersáveis em água via sonicação
A ultrassonografia é um procedimento eficaz com resultados repetíveis para desembaraçar nanotubos de carbono em água ou solventes orgânicos. [/ legenda] Em condições normais, o grafeno dificilmente se dispersa em água e forma agregados e aglomerados quando disperso em meio aquoso. Como os sistemas aquosos têm vantagens significativas de serem baratos, não tóxicos, ecológicos e à base de água, os sistemas de grafeno à base de água são altamente atraentes para os fabricantes de grafeno e para a indústria a jusante.
Para obter nanofolhas de grafeno dispersáveis em água, o grafeno esfoliado por ultrassom é modificado com polissacarídeos / biopolímeros como pululano, quitosana, alginato, gelatina ou goma arábica.
- grafeno de alta qualidade
- alto rendimento
- dispersão à base de água
- alta concentração
- Alta eficiência
- Processo rápido
- baixo custo
- de alto rendimento
- Ambientalmente amigável
Reator ultrassônico com ultrassonizadores tipo sonda para esfoliação de grafeno em escala industrial
Protocolo de Esfoliação Direta de Grafite utilizando Ultrassom
O pululano não iônico e o alginato aniônico (1,0 g) foram dissolvidos separadamente em 20 ml de água destilada, enquanto a quitosana catiônica (0,4 g) foi dissolvida em 20 ml de água destilada com 1% em peso de ácido acético. O pó de grafite foi disperso nas soluções aquosas de biopolímero e tratado com um ultrassônico tipo sonda UP200S (potência máxima 200 W, frequência 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Alemanha) equipado com um sonotrodo de titânio (microponta S3, diâmetro da ponta 3 mm, amplitude máxima 210μm, densidade de potência acústica ou intensidade superficial 460 W cm-2) nas seguintes condições: 0,5 ciclo e 50% de amplitude, por um período de 10, 20, 30 e 60 min, respectivamente. Os melhores resultados foram obtidos na sonicação de 30min. A sonicação foi aplicada na potência de 16,25 W por 30 minutos, com consumo de energia (saída de energia por unidade de volume) de 731 Ws ml-1.
Posteriormente, as misturas foram centrifugadas a 1500 rpm por 60 min para remover partículas de grafite não esfoliadas e, em seguida, lavadas 5 vezes e novamente centrifugadas a 5000 rpm por 20 min para remover o excesso de biopolímeros. As soluções cinza-escuras resultantes foram secas a vácuo a 40ºC até que não houvesse perda de massa. Os pós de polímero-grafeno resultantes foram redispersos em água (1 mg ml-1 para pululano e quitosana; 0,18 mg ml-1 para alginato) para caracterização. As folhas de grafeno obtidas por ultrassom assistido por pululano, alginato e quitosana foram indicadas como pull-G, alg-G e chit-G, respectivamente.
Dos três sistemas, o pululano e a quitosana foram mais eficazes na esfoliação do grafite do que o alginato. Este método produziu folhas de grafeno esfoliadas mono, bi e de poucas camadas com apenas defeitos laterais baixos (bordas). A adsorção de biopolímeros na superfície do grafeno proporciona uma estabilidade duradoura (mais de 6 meses) da dispersão aquosa.
(cf. Unalan et al. 2015)
Uma sequência de alta velocidade (de a a f) de quadros ilustrando a esfoliação sonomecânica de um floco de grafite em água usando o UP200S, um ultrassônico de 200W com sonotrodo de 3 mm. As setas mostram o local da divisão (esfoliação) com bolhas de cavitação penetrando na divisão.
(estudo e fotos: © Tyurnina et al. 2020
Imagens MET de pull-G por: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G por 30 min; (f) alg-G por 30 min. (Unalan et al. 2015)
Ultrassônicos para esfoliação de grafeno
Os processadores ultrassônicos de alta potência Hielscher são usados em todo o mundo para a esfoliação e dispersão bem-sucedidas de grafite e grafeno. Nossos dispersores ultrassônicos estão disponíveis desde laboratório e bancada até unidades de produção industrial completas. Além de robustez, operação 24 horas por dia, 7 dias por semana e baixa manutenção, os ultrasonicadores Hielscher convencem pela alta facilidade de processamento e escalabilidade linear.
Os processos podem ser facilmente testados e otimizados no laboratório. Posteriormente, todos os resultados do processo podem ser dimensionados de forma completamente linear para o nível de produção comercial. Isso torna a sonicação um método de produção eficaz e eficiente para o alto volume de folhas de grafeno de alta qualidade.
Os processadores ultrassônicos industriais Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados. Os reatores de ultrassom correspondentes garantem a capacidade de produção em massa confiável e segura de nanofolhas de grafeno de alta qualidade, bem como dispersões estáveis de nanofolhas.
A robustez do equipamento ultrassônico da Hielscher permite operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes pesados e exigentes.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:
| Volume do lote | Vazão | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | maior | cluster de UIP16000 |
Entre em contato conosco! / Pergunte-nos!
Mecanismo de esfoliação ultrassônica de nanofolhas 2D.
(estudo e gráfico: Tyurnina et al., 2020)
Fatos, vale a pena conhecer
grafeno
O grafeno é uma monocamada de sp2-átomos de carbono ligados. O grafeno oferece características únicas de material, como uma área de superfície específica extraordinariamente grande (2620 m2g-1), propriedades mecânicas superiores com um módulo de Young de 1 TPa e uma força intrínseca de 130 GPa, uma condutividade eletrônica extremamente alta (mobilidade eletrônica à temperatura ambiente de 2,5 × 105 cm2 V-1s-1), condutividade térmica muito alta (acima de 3000 W m K-1), para nomear as propriedades mais importantes. Devido às suas propriedades superiores de material, o grafeno é muito utilizado no desenvolvimento e produção de baterias de alto desempenho, células de combustível, células solares, supercapacitores, armazenamentos de hidrogênio, escudos eletromagnéticos e dispositivos eletrônicos. Além disso, o grafeno é incorporado em muitos nanocompósitos e materiais compósitos como aditivo de reforço, por exemplo, em polímeros, cerâmicas e matrizes metálicas. Devido à sua alta condutividade, o grafeno é um componente importante de tintas e tintas condutoras.
O rápido e seguro Preparação ultrassônica de grafeno sem defeitos em grandes volumes a baixos custos permite ampliar as aplicações do grafeno para mais e mais indústrias.
Literatura/Referências
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de labrador Para tamanho industrial.