oxid de grafen – Exfoliere cu ultrasunete și dispersie
Oxidul de grafen este solubil în apă, amfifil, netoxic, biodegradabil și poate fi ușor dispersat în coloizi stabili. Exfolierea și dispersia cu ultrasunete este o metodă foarte eficientă, rapidă și rentabilă pentru a sintetiza, dispersa și funcționaliza oxidul de grafen la scară industrială. În prelucrarea în aval, dispersoare cu ultrasunete produce compozite de oxid de grafen-polimer de înaltă performanță.
Exfolierea cu ultrasunete de oxid de grafen
Pentru a controla dimensiunea nanofoilor de oxid de grafen (GO), metoda de exfoliere joacă un factor cheie. Datorită parametrilor de proces controlabili cu precizie, exfolierea cu ultrasunete este cea mai utilizată tehnică de delaminare pentru producerea de grafen și oxid de grafen de înaltă calitate.
Pentru exfolierea cu ultrasunete a oxidului de grafen din oxid de grafit sunt disponibile diferite protocoale. Găsiți mai jos o descriere exemplară:
Pulberea de oxid de grafit este amestecată în KOH apos cu valoarea pH-ului 10. Pentru exfoliere și dispersie ulterioară, se utilizează ultrasonicator de tip sondă UP200St (200W). Ulterior, ionii K+ sunt atașați pe planul bazal al grafenului pentru a induce un proces de îmbătrânire. Îmbătrânirea se realizează prin evaporare rotativă (2 ore). Pentru a elimina ionii K+ excesivi, pulberea este spălată și centrifugată de mai multe ori.
Amestecul obținut este centrifugat și liofilizat, astfel încât să precipite o pulbere dispersabilă de oxid de grafen.
Prepararea unei paste conductive de oxid de grafen: Pulberea de oxid de grafen poate fi dispersată în dimetilformamidă (DMF) sub sonicare pentru a produce o pastă conductivă. (Han și colab.2014)
Dispersarea cu ultrasunete a oxidului de grafen
Funcționalizarea cu ultrasunete a oxidului de grafen
Sonicare este utilizat cu succes pentru a încorpora oxid de grafen (GO) în polimeri și compozite.
Exemple:
- oxid de grafen-compozit microsferă TiO2
- compozit polistiren-magnetit-oxid de grafen (structurat miez-înveliș)
- polistiren compozite de oxid de grafen redus
- polistiren acoperit cu nanofibre de polianilină/oxid de grafen (PANI-PS/GO) compozit al miezului
- oxid de grafen intercalat cu polistiren
- P-fenilendiamină-4vinilbenzen-polistiren oxid de grafen modificat
Sonicatoare pentru prelucrarea grafenului și oxidului de grafen
Hielscher Ultrasonics oferă sisteme cu ultrasunete de mare putere pentru exfoliere, dispersie și prelucrare în aval de grafen și oxid de grafen. Procesoare cu ultrasunete fiabile și reactoare sofisticate oferă puterea necesară, condițiile de proces la fel de wel ca un control precis, astfel încât rezultatele procesului cu ultrasunete pot fi reglate exact la obiectivele de proces dorite.
Unul dintre cei mai importanți parametri de proces este amplitudinea ultrasonică, care este expansiunea și contracția vibrațională la sonda cu ultrasunete. Hielscher lui Sisteme industriale cu ultrasunete sunt construite pentru a oferi amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, Hielscher oferă sonde cu ultrasunete personalizate. Toate procesoarele noastre cu ultrasunete pot fi ajustate exact la condițiile de proces necesare și ușor de monitorizat prin intermediul software-ului încorporat. Acest lucru asigură cea mai mare fiabilitate, calitate constantă și rezultate reproductibile. Robustețea sonicatoare Hielscher permite funcționarea 24/7 la grele și în medii solicitante. Acest lucru face sonicare tehnologia de producție preferată pentru prepararea pe scară largă a grafenului, oxidului de grafen și materialelor grafitice.
Oferind o gamă largă de produse de ultrasonicators și accesorii (ar fi sonotrodes și reactoare cu diferite dimensiuni și geometrii), cele mai potrivite condiții de reacție și factori (de exemplu, reactivi, intrare de energie cu ultrasunete pe volum, presiune, temperatură, debit etc.) pot fi alese pentru a obține cea mai înaltă calitate. Deoarece reactoarele noastre cu ultrasunete pot fi presurizate până la câteva sute barg, sonicare de paste extrem de vâscoase cu la 250.000 centipoise nu este o problemă pentru sistemele cu ultrasunete Hielschers.
Datorită acestor factori, delaminarea / exfolierea cu ultrasunete și dispersarea excelează tehnicile convenționale de amestecare și frezare.
- putere mare
- forțe mari de forfecare
- presiuni ridicate aplicabile
- Control precis
- Scalabilitate perfectă (liniară)
- lot și continuu
- rezultate reproductibile
- fiabilitate
- robustețe
- eficiență energetică ridicată
Pentru a afla mai multe despre sinteza grafenului cu ultrasunete, dispersie și funcționalizare, vă rugăm să faceți clic aici:
- Producția de grafen
- Nanoplachete de grafen
- Exfoliere cu grafen pe bază de apă
- Grafenul dispersabil în apă
- oxid de grafen
- Xenes
Fapte care merită știute
Ecografie și cavitație: Cum grafitul este exfoliat la oxid de grafen sub sonicare
Exfolierea cu ultrasunete a oxidului de grafit (GrO) se bazează pe forța mare de forfecare indusă de cavitația acustică. Cavitația acustică apare datorită ciclurilor alternative de înaltă presiune / joasă presiune, care sunt generate de cuplarea undelor ultrasonice puternice într-un lichid. În timpul ciclurilor de joasă presiune apar goluri foarte mici sau bule de vid, care cresc în timpul ciclurilor alternative de joasă presiune. Când bulele de vid ating o dimensiune în care nu pot absorbi mai multă energie, ele se prăbușesc violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Implozia cu bule are ca rezultat forțe de forfecare cavitaționale și unde de stres, temperatură extremă de până la 6000K, rate extreme de răcire peste 1010K/s, presiuni foarte mari de până la 2000atm, diferențe extreme de presiune, precum și jeturi de lichid cu până la 1000 km/h (∼280m/s).
Aceste forțe intense afectează stivele de grafit, care sunt delaminate în oxid de grafen cu un singur strat sau cu câteva straturi și nanofoi de grafen curate.
oxid de grafen
Oxidul de grafen (GO) este sintetizat prin exfolierea oxidului de grafit (GrO). În timp ce oxidul de grafit este un material 3D format din milioane de straturi de straturi de grafen cu oxigeni intercalați, oxidul de grafen este un grafen mono- sau cu câteva straturi care este oxigenat pe ambele părți.
Oxidul de grafen și grafenul diferă unul de celălalt prin următoarele caracteristici: oxidul de grafen este polar, în timp ce grafenul este nepolar. Oxidul de grafen este hidrofil, în timp ce grafenul este hidrofob.
Aceasta înseamnă că oxidul de grafen este solubil în apă, amfifil, netoxic, biodegradabil și formează suspensii coloidale stabile. Suprafața oxidului de grafen conține grupări epoxidice, hidroxil și carboxil, care sunt disponibile pentru a interacționa cu cationii și anionii. Datorită structurii lor hibride organice-anorganice unice și proprietăților excepționale, compozitele GO-polimer oferă un potențial ridicat pentru aplicații industriale multiple. (Tolasz și colab. 2014)
oxid de grafen redus
Oxidul de grafen redus (rGO) este produs prin reducerea cu ultrasunete, chimică sau termică a oxidului de grafen. În timpul etapei de reducere, majoritatea funcționalităților oxigenului oxidului de grafen sunt îndepărtate, astfel încât oxidul de grafen redus (rGO) rezultat să aibă caracteristici foarte asemănătoare cu grafenul curat. Cu toate acestea, oxidul de grafen redus (rGO) nu este lipsit de defecte și curat ca grafenul pur.
Literatură/Referințe
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Gouvea R.A., Konrath Jr L.G., Cava S., Carreno N.L.V., Goncalves M.R.F. (2011): Synthesis of nanometric graphene oxide and its effects when added in MgAl2O4 ceramic. 10th SPBMat Brazil.
- Kamisan A.I., Zainuddin L.W., Kamisan A.S., Kudin T.I.T., Hassan O.H., Abdul Halim N., Yahya M.Z.A. (2016): Ultrasonic Assisted Synthesis of Reduced Graphene Oxide in Glucose Solution. Key Engineering Materials Vol. 708, 2016. 25-29.
- Štengl V., Henych J., Slušná M., Ecorchard P. (2014): Ultrasound exfoliation of inorganic analogues of graphene. Nanoscale Research Letters 9(1), 2014.
- Štengl, V. (2012): Preparation of Graphene by Using an Intense Cavitation Field in a Pressurized Ultrasonic Reactor. Chemistry – A European Journal 18(44), 2012. 14047-14054.
- Tolasz J., Štengl V., Ecorchard P. (2014): The Preparation of Composite Material of Graphene Oxide–Polystyrene. 3rd International Conference on Environment, Chemistry and Biology IPCBEE vol.78, 2014.
- Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.