oxid de grafen – Exfoliere cu ultrasunete și dispersie
Exfolierea cu ultrasunete este o tehnică utilizată pe scară largă pentru a produce oxid de grafen prin descompunerea oxidului de grafit în foi subțiri, cu un singur strat sau cu mai multe straturi. Sonicatoarele Hielscher creează cavitație acustică intensă, unde undele ultrasonice dense în energie generează microbule de înaltă energie într-un mediu lichid. Aceste bule care se prăbușesc creează forțe de forfecare care separă straturile de oxid de grafit, exfoliindu-le eficient în nanofoi de oxid de grafen. Profitați de ultrasunetele de înaltă performanță pentru a vă aduce aplicația pe bază de oxid de grafen la nivelul următor!
Exfolierea cu ultrasunete de oxid de grafen
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.
Avantajele exfolierii cu ultrasunete
Exfolierea cu ultrasunete oferă mai multe avantaje, inclusiv simplitate, scalabilitate și respectarea mediului, deoarece de obicei nu necesită substanțe chimice dure sau procesare complexă. În plus, permite controlul precis asupra dimensiunii și grosimii nanofoilor de oxid de grafen, cruciale pentru reglarea proprietăților lor în diverse aplicații.
Industrial sonicator UIP16000hdT pentru exfolierea cu oxid de grafen la randament ridicat
Protocol: Exfolierea cu ultrasunete a oxidului 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 un protocol exemplar pentru exfolierea cu oxid de grafen cu ultrasunete:
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)
Mecanismul exfolierii cu ultrasunete cu oxid de grafen
(Pic.: Potts et al. 2011)
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
Ultrasonicator UP400St pentru prepararea dispersiilor nanoplachetare de grafen
Aplicații ale oxidului de grafen produs prin exfoliere cu ultrasunete
Oxidul de grafen produs prin exfoliere cu ultrasunete are aplicații largi în diverse domenii. În electronică, este utilizat în filme și senzori conductivi flexibili; În stocarea energiei, îmbunătățește performanța bateriilor și supercondensatoarelor. Proprietățile antibacteriene ale oxidului de grafen îl fac valoros în aplicații biomedicale, în timp ce suprafața sa mare și grupele funcționale sunt avantajoase în cataliză și remedierea mediului. În general, exfolierea cu ultrasunete facilitează producția eficientă de oxid de grafen de înaltă calitate pentru utilizarea în tehnologii de ultimă oră.
Sonicatoare pentru prelucrarea grafenului și oxidului de grafen
Hielscher Ultrasonics oferă sisteme cu ultrasunete de mare putere pentru exfolierea, dispersarea și prelucrarea grafenului și a oxidului de grafen. Procesoarele cu ultrasunete fiabile și reactoarele sofisticate oferă un control precis, permițând reglarea proceselor cu ultrasunete la obiectivele dorite.
Un parametru crucial este amplitudinea ultrasonică, care determină expansiunea și contracția vibrațională a sondei cu ultrasunete. Ultrasunetele industriale Hielscher oferă amplitudini mari, de până la 200 μm, funcționând continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonde cu ultrasunete personalizate. Toate procesoarele pot fi ajustate cu precizie la condițiile de proces și monitorizate prin intermediul software-ului încorporat, asigurând fiabilitate, calitate constantă și rezultate reproductibile.
Sonicatoarele Hielscher sunt robuste și pot funcționa continuu în medii grele, ceea ce face ca sonicarea să fie tehnologia de producție preferată pentru prepararea grafenului, oxidului de grafen și materialelor grafitice la scară largă.
O gamă largă de produse de ultrasunete și accesorii, inclusiv sonotrode și reactoare cu diferite dimensiuni și geometrii, permite selectarea condițiilor și factorilor optimi de reacție, cum ar fi reactivii, aportul de energie cu ultrasunete, presiunea, temperatura și debitul, pentru a obține cea mai înaltă calitate. Reactoarele cu ultrasunete Hielscher pot chiar presuriza până la câteva sute de barg, permițând sonicarea unor paste foarte vâscoase cu vâscozitate care depășește 250.000 de centimetri.
Delaminarea și exfolierea cu ultrasunete excelează în tehnicile convenționale datorită acestor factori.
- putere mare
- forțe mari de forfecare
- presiuni ridicate aplicabile
- Control precis
- Scalabilitate perfectă (liniară)
- lot și continuu
- rezultate reproductibile
- fiabilitate
- robustețe
- eficiență energetică ridicată
Sistem ultrasonic pentru exfolierea oxidului de grafen
Pentru a afla mai multe despre sinteza grafenului cu ultrasunete, dispersie și funcționalizare, vă rugăm să faceți clic aici:
- Grafen cu un singur strat la scară industrială utilizând exfolierea cu ultrasunete
- 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
Ultrasunete și cavitație: Cum se exfoliază grafitul în oxid de grafen folosind sonicarea?
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.
Ce este oxidul 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)
Ce este oxidul redus de grafen?
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.