Exfoliação de grafeno à base de água
A exfoliação ultrassónica permite produzir grafeno com poucas camadas sem utilizar solventes agressivos, usando apenas água pura. A sonicação de alta potência delamina as folhas de grafeno num tratamento curto. Evitar os solventes torna a exfoliação do grafeno um processo ecológico e sustentável.
Produção de grafeno por exfoliação em fase líquida
O grafeno é fabricado comercialmente através da chamada exfoliação em fase líquida. A exfoliação do grafeno em fase líquida requer a utilização de solventes tóxicos, prejudiciais para o ambiente e dispendiosos, utilizados como pré-tratamento químico ou em combinação com uma técnica de dispersão mecânica. Para a dispersão mecânica das folhas de grafeno, a sonicação estabeleceu-se como uma técnica altamente fiável, eficiente e segura para produzir folhas de grafeno de elevada qualidade em grandes quantidades, à escala plenamente industrial. Uma vez que a utilização de solventes agressivos está sempre associada a custos, contaminação, remoção e eliminação complexas, preocupações de segurança e impacto ambiental, uma alternativa não tóxica e mais segura oferece vantagens significativas. A exfoliação do grafeno utilizando água como solvente e ultrassons de potência para a delaminação mecânica de folhas de grafeno com poucas camadas é, por isso, uma técnica altamente promissora para o fabrico ecológico de grafeno.
Os solventes comuns frequentemente utilizados como fase líquida para dispersar nanofolhas de grafeno incluem dimetilsulfóxido (DMSO), N,N-dimetilformamida (DMF), N-metil-2-pirrolidona (NMP), tetrametilureia (TMU), tetra-hidrofurano (THF), propylene carbonateacetone (PC), etanol e formamida.
Enquanto técnica há muito estabelecida para a exfoliação do grafeno à escala comercial, a sonicação permite produzir grafeno de elevada qualidade e pureza a baixo custo. Como a exfoliação ultrassónica do grafeno pode ser escalada de forma totalmente linear para qualquer volume, o rendimento de produção de flocos de grafeno de elevada qualidade pode ser facilmente aplicado à produção em massa de grafeno.
O UIP2000hdT é um potente dispersor ultrassónico de 2kW para a exfoliação e dispersão do grafeno.
Exfoliação ultrassónica do grafeno em água
Tyurnina et al. (2020) investigaram os efeitos da amplitude e da intensidade da sonicação em soluções de água pura e grafite e na exfoliação do grafeno daí resultante. No estudo, utilizaram um Hielscher UP200S (200W, 24kHz). A exfoliação ultrassónica com água foi aplicada como um processo de etapa única para a delaminação de grafeno com poucas camadas. Um tratamento curto de 2h foi suficiente para produzir grafeno com poucas camadas numa configuração de sonicação com um copo de precipitação aberto.
Uma sequência de imagens 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 24 kHz com um sonotrodo de 3-mm. As setas mostram o local de separação (exfoliação), com bolhas de cavitação a penetrar na fenda.
© Tyurnina et al., 2020
Otimização da exfoliação ultrassónica do grafeno
A configuração ultrassónica utilizada por Tyurnina et al. (2020) pode ser facilmente otimizada para maior eficiência e uma exfoliação mais rápida através da utilização de um reator ultrassónico fechado em modo de fluxo contínuo. O tratamento ultrassónico em linha permite um tratamento ultrassónico significativamente mais uniforme de toda a matéria-prima de grafite: ao alimentar a solução de grafite / água diretamente no espaço confinado da cavitação ultrassónica, toda a grafite é sonicada uniformemente, resultando num elevado rendimento de flocos de grafeno de elevada qualidade.
Os sistemas Hielscher Ultrasonics permitem um controlo preciso de todos os parâmetros de processamento importantes, como a amplitude, o tempo / tempo de retenção, a energia fornecida (Ws/mL), a pressão e a temperatura. A definição dos parâmetros ultrassónicos ótimos resulta no mais elevado rendimento, qualidade e eficiência global.
Como promove a sonicação a exfoliação do grafeno
Quando ondas ultrassónicas de alta potência são acopladas a uma suspensão de pó de grafite e água ou qualquer solvente, forças sonomecânicas, como o elevado cisalhamento, a turbulência intensa e os elevados diferenciais de pressão e temperatura, criam condições de elevada intensidade energética. Estas condições de elevada intensidade energética resultam do fenómeno de cavitação acústica.
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Os ultrassons de potência iniciam a expansão do pó de grafite, uma vez que os fluidos são pressionados entre as camadas de grafeno que constituem a grafite. As forças de cisalhamento ultrassónicas delaminam as folhas individuais de grafeno e dispersam-nas na solução sob a forma de flocos de grafeno. Para obter estabilidade a longo prazo do grafeno em água, é necessário um tensioativo.
Mecanismo de exfoliação ultrassónica do grafeno em fase líquida.
Estudo e imagem de Tyurnina et al., 2021.
Sonicadores de elevado desempenho para a exfoliação do grafeno
As funcionalidades inteligentes dos sonicadores Hielscher foram concebidas para garantir um funcionamento fiável, resultados reprodutíveis e facilidade de utilização. As definições de funcionamento podem ser facilmente consultadas e ajustadas através de um menu intuitivo, acessível através de um ecrã tátil digital a cores e de controlo remoto por navegador. Assim, todas as condições de processamento, como a energia líquida, a energia total, a amplitude, o tempo, a pressão e a temperatura, são automaticamente registadas num cartão SD integrado. Isto permite rever e comparar ciclos de sonicação anteriores e otimizar o processo de exfoliação do grafeno para alcançar a máxima eficiência.
Os sistemas Hielscher Ultrasonics são utilizados em todo o mundo para o fabrico de folhas de grafeno e óxidos de grafeno de elevada qualidade. Os sonicadores industriais Hielscher podem operar facilmente com amplitudes elevadas em funcionamento contínuo (24/7/365). Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente geradas de forma contínua com sonotrodos padrão (sondas / cornetas ultrassónicas e CascatrodesTM). Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. Devido à sua robustez e à reduzida necessidade de manutenção, os nossos sistemas de exfoliação ultrassónica são habitualmente instalados para aplicações de serviço pesado e em ambientes exigentes.
Os processadores ultrassónicos Hielscher para a exfoliação do grafeno já estão instalados em todo o mundo à escala comercial. Contacte-nos agora para discutir o seu processo de fabrico de grafeno! A nossa equipa com vasta experiência terá todo o gosto em partilhar mais informações sobre o processo de exfoliação, os sistemas ultrassónicos e os preços!
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- Grafeno dispersável em água
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| Volume do lote | Caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 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 | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superior | conjunto de UIP16000 |
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A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.
Bibliografia / Referências
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- 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. 737-747.
(Available under a Creative Commons Attribution 4.0: CC BY-NC-ND 4.0. See full terms here.) - Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- 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.
- Bang, J. H.; Suslick, K. S. (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Advanced Materials 22/2010. pp. 1039-1059.
- Štengl, V.; Popelková, D.; Vlácil, P. (2011): TiO2-Graphene Nanocomposite as High Performance Photocatalysts. In: Journal of Physical Chemistry C 115/2011. pp. 25209-25218.
Informações úteis
O que é o grafeno?
O grafeno é uma monocamada de átomos de carbono com ligações sp2. O grafeno oferece características materiais únicas, como uma área superficial específica extraordinariamente grande (2620 m2 g-1), propriedades mecânicas superiores com um módulo de Young de 1 TPa e uma resistência intrínseca de 130 GPa, uma condutividade eletrónica extremamente elevada (mobilidade eletrónica à temperatura ambiente de 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), uma condutividade térmica muito elevada (acima de 3000 W m K-1), para mencionar as propriedades mais importantes. Devido às suas propriedades materiais superiores, o grafeno é amplamente utilizado no desenvolvimento e na produção de baterias de elevado desempenho, células de combustível, células solares, supercondensadores, sistemas de armazenamento de hidrogénio, blindagens eletromagnéticas e dispositivos eletrónicos. 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 elevada condutividade, o grafeno é um componente importante de tintas condutoras para pintura e impressão.
A preparação ultrassónica rápida e segura de grafeno sem defeitos em grandes volumes e a baixo custo permite alargar as aplicações do grafeno a cada vez mais setores industriais.
O grafeno é uma camada de carbono com a espessura de um átomo, que pode ser descrita como uma estrutura de grafeno de camada única ou 2D (grafeno de camada única = SLG). O grafeno tem uma área superficial específica extraordinariamente grande e propriedades mecânicas superiores (módulo de Young de 1 TPa e resistência intrínseca de 130 GPa), oferece excelentes condutividades eletrónica e térmica, mobilidade dos portadores de carga, transparência e é impermeável aos gases. Devido a estas características materiais, o grafeno é utilizado como aditivo de reforço para conferir aos compósitos a sua resistência, condutividade, etc. Para combinar as características do grafeno com as de outros materiais, o grafeno tem de ser disperso no composto ou aplicado como um revestimento de película fina sobre um substrato.
Ultrassons de elevado desempenho! A gama de produtos da Hielscher abrange todo o espectro, desde o sonicador compacto de laboratório, passando pelas unidades de bancada, até aos sistemas ultrassónicos plenamente industriais.