Esfoliação ultra-sónica de grafeno dispersível em água

• As nanofolhas de grafeno monocamada e bicamada podem ser produzidas rapidamente por esfoliação ultra-sónica com elevado rendimento e a baixo custo.
• O grafeno esfoliado por ultra-sons pode ser funcionalizado com biopolímeros, a fim de obter grafeno dispersível em água.
• Por cavitação ultra-sónica, o grafeno sintetizado pode ser posteriormente transformado numa dispersão estável à base de água.

Esfoliação ultra-sónica de grafeno de alta qualidade

A ultra-sons é um método fiável para produzir camadas de grafeno (mono-, bi- e poucas camadas de grafeno) a partir de flocos ou partículas de grafite. Enquanto outras técnicas de esfoliação comuns, 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 ultra-sónica convence pela sua saída de alta qualidade, alta capacidade de processamento e condições de processamento suaves.
A cavitação ultra-sónica 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 por sonicação

Em condições normais, o grafeno é dificilmente dispersável em água e forma agregados e aglomerados quando disperso em meio aquoso. Uma vez que os sistemas aquosos têm vantagens significativas por serem pouco dispendiosos, não tóxicos e respeitadores do ambiente, os sistemas de grafeno à base de água são muito atractivos para os fabricantes de grafeno e para a indústria a jusante.
A fim de obter nanofolhas de grafeno dispersáveis em água, o grafeno esfoliado por ultra-sons é modificado com polissacáridos / biopolímeros, tais como pululano, quitosano, alginato, gelatina ou goma arábica.

Protocolo de esfoliação direta de grafite por ultra-sons

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 % em peso de ácido acético. O pó de grafite foi disperso nas soluções aquosas de biopolímeros e tratado utilizando um ultrasonicador tipo sonda UP200S (potência máxima 200 W, frequência 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Alemanha) equipado com um sonotrodo de titânio (micro ponta S3, diâmetro da ponta 3 mm, amplitude máxima 210µm, densidade de potência acústica ou intensidade de superfície 460 W cm-2) nas seguintes condições: 0,5 ciclo e 50% de amplitude, por um período de 10, 20, 30 e 60 min, respetivamente. Os melhores resultados foram obtidos com 30 minutos de sonicação. A sonicação foi aplicada a uma potência de 16,25 W durante 30 minutos, com um consumo de energia (produção de energia por unidade de volume) de 731 Ws ml-1.
Subsequentemente, as misturas foram centrifugadas a 1500 rpm durante 60 min para remover as partículas de grafite não esfoliadas e depois lavadas 5 vezes e novamente centrifugadas a 5000 rpm durante 20 min para remover o excesso de biopolímeros. As soluções cinzento-escuras resultantes foram secas sob vácuo a 40ºC até não haver perda de 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 caraterização. As folhas de grafeno obtidas por ultra-sons pullulan-, alginato-, e quitosana assistida foram indicados como pull-G, alg-G, e chit-G, respetivamente.
Dos três sistemas, o pululano e o quitosano foram mais eficazes na esfoliação da grafite do que o alginato. Este método produziu folhas de grafeno esfoliadas de mono, bi e poucas camadas com apenas defeitos laterais baixos (bordos). A adsorção de biopolímeros na superfície do grafeno permite uma estabilidade duradoura (mais de 6 meses) da dispersão aquosa.
(cf. Unalan et al. 2015)

Sequência de alta velocidade (de a a f) de imagens que ilustram a esfoliação sono-mecânica de um floco de grafite em água utilizando o UP200S, um aparelho de ultra-sons de 200 W com um sonotrodo de 3 mm. As setas mostram o local da divisão (esfoliação) com bolhas de cavitação penetrando na divisão.
(estudo e imagens: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicators para esfoliação de grafeno

Os processadores ultra-sónicos de alta potência da Hielscher são utilizados em todo o mundo para a esfoliação e dispersão bem sucedidas de grafite e grafeno. Nossos dispersores ultra-sônicos estão disponíveis a partir de laboratório e bancada até unidades de produção industrial completa. Além da robustez, 24/7 operação e baixa manutenção, ultrasonicators Hielscher convencer pela alta facilidade de processamento e escalabilidade linear.
Os processos podem ser facilmente testados e optimizados no laboratório. Posteriormente, todos os resultados do processo podem ser escalados de forma completamente linear para o nível de produção comercial. Isto torna a sonicação um método de produção eficaz e eficiente para o elevado volume de folhas de grafeno de alta qualidade.
Os processadores ultra-sónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodos ultra-sônicos personalizados estão disponíveis. Os reactores de ultra-sons correspondentes asseguram a capacidade de produção em massa fiável e segura de nanofolhas de grafeno de alta qualidade, bem como dispersões de nanofolhas estáveis.

A robustez do equipamento ultrassónico da Hielscher permite o funcionamento 24 horas por dia, 7 dias por semana, em serviço pesado e em ambientes exigentes.
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: