Nanoplachete de grafen sintetizate și dispersate prin sondă-sonicare

Nanoplachetele de grafen (GNP) pot fi sintetizate și dispersate cu eficiență ridicată și fiabilitate folosind sonicatori. Ultrasonication de înaltă intensitate este folosit pentru a exfolia grafitul și pentru a obține grafen cu câteva straturi, adesea denumite nanoplachete de grafen. Sonicare, de asemenea, excelează în realizarea unei distribuții excelente a nanoplachetelor de grafen atât în suspensii joase, cât și foarte vâscoase.

Prelucrarea nanoplachetelor de grafen – Rezultate superioare cu sonicare

Pentru prelucrarea nanoplachetelor de grafen, sonicatorii de tip sondă sunt instrumentul cel mai eficient, fiabil și ușor de utilizat. Deoarece ultrasonication pot fi aplicate pentru sinteza, dispersie și funcționalizare a nanoplachetelor grafenului, sonicatori sunt utilizate pentru numeroase aplicații legate de grafen:

• Exfoliere și sinteză Sonicatorii de tip sondă sunt utilizați pentru exfolierea grafitului în grafen cu câteva straturi sau nanoplachete de grafen. Ultrasonication de înaltă intensitate perturbă forțele intermediare și descompune grafitul în foi mai mici, individuale de grafen.
• Dispersie: Realizarea unei dispersii uniforme a nanoplachetelor de grafen într-un mediu lichid este crucială pentru toate aplicațiile legate de grafen. Sonda de tip sonicator poate dispersa nanoplachetele uniform în lichid, prevenirea aglomerării și asigurarea unei suspensii stabile.
• Funcționalizare: Sonicare facilitează funcționalizarea nanoplachetelor de grafen prin promovarea atașării grupurilor funcționale sau moleculelor la suprafețele lor. Această funcționalizare îmbunătățește compatibilitatea lor cu polimeri sau materiale specifice.

Sinteza nanoplachetelor de grafen prin sonicare

Nanoplachetele de grafen pot fi sintetizate prin exfoliere cu grafit asistată ultrasonically. Prin urmare, o suspensie de grafit este sonicated folosind un omogenizator cu ultrasunete de tip sondă. Această procedură a fost testată cu concentrații foarte scăzute (de exemplu, 4wt% sau mai mici) până la mari solide (de exemplu, 10wt% sau mai mari).
 
Ghanem and Rehim (2018) report the ultrasonic exfoliation of graphite in water with the aid of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) in order to prepare dispersed graphene nanoplatelets using a the probe-type sonicator UP 100H allowed for the successful preparation of defect-free few-layer graphene (>5). The following precursor was used: reduced graphene nanosheets were prepared via Hummer method and treated with two additional steps, oxidation of graphite followed by reduction of graphene oxide. Thereby, dispersed graphene nanoplatelets were obtained in water via solvent dispersion method (see scheme below). Graphite layers were exfoliated with sonication using the probe-type sonicator UP100H (100 W). 0.25 g SDS was dissolved in 150 mL deionized water and then 0.5 g of graphite was added. The graphite solution was sonicated for 12h in an ice bath and then the suspension solution was centrifuged at 686× g for 30 min to remove the large particles. The precipitate was discarded and supernatant was re-centrifuged for 90 min at 12,600× g. The obtained dispersed graphene nanoplatelets were washed well several times to get rid of the surfactant. Finally, the product was dried at 60ºC under vacuum.

Imagini cu microscop electronic de transmisie de înaltă rezoluție ale nanofoilor de grafen obținuteprin dispersie de fază apoasă asistată ultrasonically și metoda Hummer.(Studiu și grafic: Ghanem și Rehim, 2018)

Care este diferența dintre foile de grafen și nanoplachete?

Foile de grafen și nanoplachetele de grafen sunt ambele nanomateriale compuse din grafen, care este un singur strat de atomi de carbon aranjați într-o rețea hexagonală. Uneori, foile de grafen și nanoplachetele de grafen sunt utilizate ca termeni interschimbabili. Dar, din punct de vedere științific, există câteva diferențe între aceste nanomateriale de grafen: Diferența principală dintre foile de grafen și nanoplachetele de grafen constă în structura și grosimea lor. Foile de grafen constau dintr-un singur strat de atomi de carbon și sunt excepțional de subțiri, în timp ce nanoplachetele de grafen sunt mai groase și compuse din mai multe straturi de grafen stivuite. Aceste diferențe structurale pot avea un impact asupra proprietăților și adecvării lor pentru aplicații specifice. Utilizarea sonicatorilor de tip sondă este o tehnică extrem de eficientă și eficientă pentru sintetizarea, dispersarea și funcționalizarea foilor de grafen cu un singur strat, precum și a nanoplachetelor de grafen cu puține straturi.

Vizualizarea grafică sinteza cu ultrasunete a nanoplachetelor de grafen folosind sonicator UP100H(Studiu și grafic: Ghanem și Rehim, 2018)

Dispersia nanoplachetelor de grafen folosind sonicare

Dispersia uniformă a nanoplachetelor de grafen (PNB) este crucială în diverse aplicații, deoarece are un impact direct asupra proprietăților și performanței materialelor sau produselor rezultate. Prin urmare, sonicatorii sunt instalați pentru dispersii nanoplachetare de grafen în diverse industrii. Următoarele industrii sunt exemple proeminente pentru utilizarea ultrasunetelor de putere:
 

• Nanocompozite: Nanoplachetele de grafen pot fi încorporate în diferite materiale nanocompozite, cum ar fi polimerii, pentru a le îmbunătăți proprietățile mecanice, electrice și termice. Sonicatorii de tip sondă ajută la dispersarea uniformă a nanoplachetelor din matricea polimerică, rezultând o performanță îmbunătățită a materialului.
• Electrozi și baterii: Nanoplachetele de grafen sunt utilizate în dezvoltarea electrozilor de înaltă performanță pentru baterii și supercondensatoare. Sonicare ajută la crearea de materiale electrod pe bază de grafen bine dispersate, cu o suprafață crescută, ceea ce îmbunătățește capacitățile de stocare a energiei.
• Cataliză: Sonicare poate fi utilizat pentru a pregăti materiale catalitice pe bază de nanoplachete grafen. Dispersia uniformă a nanoparticulelor catalitice pe suprafața grafenului poate spori activitatea catalitică în diferite reacții.
• Senzori: Nanoplachetele de grafen pot fi utilizate în fabricarea senzorilor pentru diverse aplicații, inclusiv detectarea gazelor, biodetecția și monitorizarea mediului. Sonicare asigură distribuția omogenă a nanoplachetelor în materialele senzorilor, ceea ce duce la îmbunătățirea sensibilității și performanței.
• Acoperiri și filme: Sonicatorii de tip sondă sunt utilizați pentru a pregăti acoperiri și filme pe bază de nanoplachete grafenice pentru aplicații în electronică, aerospațială și acoperiri de protecție. Dispersia uniformă și aderența adecvată la substraturi sunt esențiale pentru aceste aplicații.
• Aplicații biomedicale: În aplicațiile biomedicale, nanoplachetele de grafen pot fi utilizate pentru livrarea de medicamente, imagistică și inginerie tisulară. Sonicare ajută la prepararea nanoparticulelor pe bază de grafen și compozite utilizate în aceste aplicații.

Imagini SEM ale nanoplachetelor de grafen la (b) X3000 și (c) X8000(Studiu și imagini: ©Alizadeh și colab., 2018)

Rezultate dovedite științific pentru dispersiile nanoplachetare cu grafen cu ultrasunete

Oamenii de știință au folosit sonicatori Hielscher pentru sinteza și dispersia nanoplachetelor de grafen în numeroase studii și au testat viguros efectele ultrasonication. Mai jos, puteți găsi câteva exemple pentru amestecarea cu succes a nanoplachetelor de grafen în diferite amestecuri, cum ar fi suspensii apoase, rășini expoy sau mortar.
 
O procedură comună pentru dispersia fiabilă și rapidă și uniformă a nanoplachetelor de grafen este următoarea procedură:
Pentru dispersie, nanoplachetele de grafen au fost sonicated în acetonă pură folosind mixer cu ultrasunete Hielscher UP400S timp de aproape o oră, în scopul de a preveni o aglomerare de foi de grafen. Acetona a fost complet îndepărtată prin evaporare. Apoi, nanoplachetele de grafen au fost adăugate la 1 wt % din sistemul epoxidic și au fost sonicate în rășina epoxidică la 90W timp de 15 minute.
(cf. Cakir et al., 2016)
 
Un alt studiu investighează consolidarea nanofluidelor ionice pe bază de lichid (ionanofluide) prin adăugarea de nanoplachete de grafen. Pentru o dispersie superioară, amestecul de nanoplachete de grafen, lichid ionic și dodecil benzen sulfonat de sodiu a fost omogenizat folosind sonicatorul de tip sondă Hielscher UP200S timp de aproximativ 90 de minute.
(cf. Alizadeh și colab., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) raportează încorporarea efectivă a nanoplachetelor de grafen în mortar. Prin urmare, suspensiile apoase de grafen au fost produse prin adăugarea de nanoplachete – la greutăți înscrise de conținuturile țintă dorite în materialele rezultate – în amestecuri de apă obișnuită de la robinet și plastifiant și agitare magnetică ulterioară timp de 2 minute. Suspensiile au fost omogenizate prin ultrasonication pentru 90 min la temperatura camerei, folosind un dispozitiv Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) echipat cu un 22mm-sonotrode furnizarea unui debit de putere de 4500 J? min la o frecvență de 24 kHz. Combinația specifică de rata de energie și durata sonicare a fost stabilită ca optimă în urma unei investigații meticuloase a efectului parametrilor ultrasonication de calitate a suspensiei.
(cf. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) afirmă în cercetarea lor că o tehnică adecvată de dispersie, cum ar fi sonicare, asigură faptul că nanomaterialele, cum ar fi nanoplatetelets grafen, pot spori proprietățile materialelor de umplere. Acest lucru se datorează faptului că dispersia este unul dintre cei mai importanți factori pentru producerea nanocompozitelor de înaltă calitate, cum ar fi chitul epoxidic.

Sonicatoare de înaltă performanță pentru prelucrarea nanoplachetelor de grafen

Hielscher Ultrasonics este lider de piață atunci când vine vorba de ultrasonicators de înaltă performanță pentru prelucrarea nanomaterialelor. Hielscher sondă tip sonicatoare sunt utilizate în întreaga lume în laboratoare și setări industriale pentru diverse aplicații, inclusiv prelucrarea nanoplachetelor de grafen.
Tehnologia de ultimă oră, măiestria și ingineria germană, precum și experiența tehnică de lungă durată fac Hielscher Ultrasonics partenerul preferat pentru aplicarea cu ultrasunete de succes.

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: