Exfolierea cu ultrasunete a grafenului dispersabil în apă
- Nanofoile de grafen mono- și bistrat pot fi produse rapid prin exfoliere cu ultrasunete, cu capacitate de procesare ridicată și la costuri reduse.
- Grafenul exfoliat cu ultrasunete poate fi funcționalizat cu biopolimeri pentru a obține grafen dispersabil în apă.
- Prin cavitație ultrasonică, grafenul sintetizat poate fi prelucrat în continuare într-o dispersie stabilă pe bază de apă.
Exfolierea cu ultrasunete a grafenului de înaltă calitate
Ultrasonicarea este o metodă fiabilă de producere a straturilor de grafen (grafen mono-, bi- și cu puține straturi) din fulgi sau particule de grafit. În timp ce alte tehnici uzuale de exfoliere, precum morile cu bile și cu role sau mixerele cu forfecare ridicată, sunt asociate cu o calitate scăzută și cu utilizarea de reactivi și solvenți agresivi, metoda de exfoliere cu ultrasunete convinge prin produsul de înaltă calitate, capacitatea mare de procesare și condițiile blânde de prelucrare.
Cavitația ultrasonică generează forțe de forfecare intense, care separă straturile de grafit suprapuse în mono-, bi- și puține straturi de grafen fără defecte.
Foi de grafen dispersabile în apă prin sonicare
Ultrasonicarea este o procedură eficace, cu rezultate repetabile, pentru descâlcirea nanotuburilor de carbon în apă sau în solvenți organici.[/caption]În condiții normale, grafenul este greu dispersabil în apă și formează agregate și aglomerate atunci când este dispersat în mediu apos. Deoarece sistemele apoase prezintă avantajele semnificative de a fi ieftine, netoxice și ecologice, sistemele de grafen pe bază de apă sunt foarte atractive pentru producătorii de grafen și pentru industria din aval.
Pentru a obține nanofoi de grafen dispersabile în apă, grafenul exfoliat cu ultrasunete este modificat cu polizaharide / biopolimeri precum pululan, chitosan, alginat, gelatină sau gumă arabică.
- grafen de înaltă calitate
- randament ridicat
- dispersie pe bază de apă
- concentrație ridicată
- eficiență ridicată
- proces rapid
- cost redus
- capacitate de procesare ridicată
- ecologic
Reactor cu ultrasunete cu ultrasonicatoare cu sondă pentru exfolierea grafenului la scară industrială
Protocol de exfoliere directă a grafitului cu ultrasunete
Pululanul neionic și alginatul anionic (1,0 g) au fost dizolvate separat în 20 ml de apă distilată, în timp ce chitosanul cationic (0,4 g) a fost dizolvat în 20 ml de apă distilată cu 1 wt% acid acetic. Pulberea de grafit a fost dispersată în soluțiile apoase de biopolimeri și tratată cu un ultrasonicator cu sondă UP200S (putere maximă 200 W, frecvență 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Germania) echipat cu o sonotrodă din titan (micro-vârf S3, diametrul vârfului 3 mm, amplitudine maximă 210µm, densitate de putere acustică sau intensitate de suprafață 460 W cm-2) în următoarele condiții: 0,5 ciclu și 50% amplitudine, pe durate de 10, 20, 30 și, respectiv, 60 min. Cele mai bune rezultate au fost obținute la 30min de sonicare. Sonicarea a fost aplicată la o putere de 16,25 W timp de 30 de minute, cu un consum de energie (energie livrată pe unitatea de volum) de 731 Ws ml-1.
Ulterior, amestecurile au fost centrifugate la 1500 rpm timp de 60 min pentru a îndepărta particulele de grafit neexfoliate, apoi spălate de 5 ori și centrifugate din nou la 5000 rpm timp de 20 min pentru a îndepărta excesul de biopolimeri. Soluțiile gri-închis rezultate au fost uscate în vid la 40ºC până la încetarea pierderii de masă. Pulberile polimer–grafen rezultate au fost redispersate în apă (1 mg ml-1 pentru pululan și chitosan; 0,18 mg ml-1 pentru alginat) în vederea caracterizării. Foile de grafen obținute prin ultrasonicare asistată de pululan, alginat și chitosan au fost notate pull-G, alg-G și, respectiv, chit-G.
Dintre cele trei sisteme, pululanul și chitosanul au fost mai eficiente decât alginatul în exfolierea grafitului. Această metodă a produs foi de grafen exfoliate mono-, bi- și cu puține straturi, cu doar defecte laterale (de margine) reduse. Adsorbția biopolimerilor pe suprafața grafenului asigură o stabilitate de lungă durată (peste 6 luni) a dispersiei apoase.
(cf. Unalan et al. 2015)
O secvență de cadre de mare viteză (de la a la f) care ilustrează exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200S, un ultrasonicator de 200W cu sonotrodă de 3 mm. Săgețile indică locul despicării (exfolierii), cu bule de cavitație care pătrund în fisură.
(studiu și imagini: © Tyurnina et al. 2020
Imagini TEM ale pull-G pentru: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G pentru 30 min; (f) alg-G pentru 30 min. (Unalan et al. 2015)
Ultrasonicatoare pentru exfolierea grafenului
Procesoarele cu ultrasunete de mare putere Hielscher sunt utilizate în întreaga lume pentru exfolierea și dispersarea cu succes a grafitului și a grafenului. Dispersoarele noastre cu ultrasunete sunt disponibile de la unități de laborator și de banc până la unități de producție complet industriale. Pe lângă robustețe, funcționare 24/7 și întreținere redusă, ultrasonicatoarele Hielscher conving prin ușurința mare de procesare și scalabilitatea liniară.
Procesele pot fi testate și optimizate cu ușurință în laborator. Ulterior, toate rezultatele procesului pot fi scalate complet liniar la nivelul producției comerciale. Acest lucru face din sonicare o metodă de producție eficace și eficientă pentru volume mari de foi de grafen de înaltă calitate.
Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în funcționare continuă 24/7. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode cu ultrasunete personalizate. Reactoarele cu ultrasunete adecvate asigură capacitatea unei producții de masă fiabile și sigure de nanofoi de grafen de înaltă calitate, precum și de dispersii stabile de nanofoi.
Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim intensiv și în medii solicitante.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:
| Volumul lotului | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 până la 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 până la 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | cluster de UIP16000 |
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Mecanismul exfolierii cu ultrasunete a nanofoilor 2D.
(studiu și grafic: Tyurnina et al., 2020)
Informații utile
Grafen
Grafenul este un monostrat de atomi de carbon cu legături de tip sp2. Grafenul oferă caracteristici unice ale materialului, precum o suprafață specifică extraordinar de mare (2620 m2 g-1), proprietăți mecanice superioare, cu un modul Young de 1 TPa și o rezistență intrinsecă de 130 GPa, o conductivitate electronică extrem de ridicată (mobilitatea electronilor la temperatura camerei de 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), o conductivitate termică foarte ridicată (peste 3000 W m K-1), pentru a numi cele mai importante proprietăți. Datorită proprietăților sale superioare, grafenul este utilizat intens în dezvoltarea și producția de baterii de înaltă performanță, pile de combustie, celule solare, supercondensatoare, sisteme de stocare a hidrogenului, ecrane electromagnetice și dispozitive electronice. În plus, grafenul este încorporat în numeroase nanocompozite și materiale compozite ca aditiv de ranforsare, de exemplu în polimeri, ceramici și matrice metalice. Datorită conductivității sale ridicate, grafenul este o componentă importantă a vopselelor și cernelurilor conductive.
Prepararea rapidă și sigură cu ultrasunete a grafenului fără defecte în volume mari și la costuri reduse permite extinderea aplicațiilor grafenului în tot mai multe industrii.
Literatură/Referințe
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- 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.
- 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.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță, de la laborator până la dimensiuni industriale.