Синтез и диспергирование графеновых нанопластинок с помощью ультразвуковой обработки зондом

Графеновые нанопластинки (GNPs) можно синтезировать и диспергировать с высокой эффективностью и надёжностью с помощью ультразвуковых аппаратов. Высокоинтенсивная обработка ультразвуком применяется для эксфолиации графита и получения графена с небольшим числом слоёв, который часто называют графеновыми нанопластинками. Обработка ультразвуком также позволяет добиться превосходного распределения графеновых нанопластинок как в низковязких, так и в высоковязких суспензиях.

Обработка графеновых нанопластинок – превосходные результаты с помощью ультразвука

Для обработки графеновых нанопластинок ультразвуковые аппараты зондового типа являются наиболее эффективным, надёжным и простым в использовании инструментом. Поскольку обработка ультразвуком может применяться для синтеза, диспергирования и функционализации графеновых нанопластинок, ультразвуковые аппараты используются для многочисленных задач, связанных с графеном:

• Эксфолиация и синтез Ультразвуковые аппараты зондового типа используются для эксфолиации графита с получением графена с небольшим числом слоёв или графеновых нанопластинок. Высокоинтенсивная обработка ультразвуком преодолевает силы межслойного взаимодействия и разделяет графит на более мелкие отдельные листы графена.
• Диспергирование: Достижение равномерного диспергирования графеновых нанопластинок в жидкой среде имеет решающее значение для всех задач, связанных с графеном. Ультразвуковые аппараты зондового типа могут равномерно распределять нанопластинки по всему объёму жидкости, предотвращая агломерацию и обеспечивая стабильную суспензию.
• Функционализация: Обработка ультразвуком облегчает функционализацию графеновых нанопластинок, способствуя присоединению функциональных групп или молекул к их поверхностям. Такая функционализация улучшает их совместимость с определёнными полимерами или материалами.

Синтез графеновых нанопластинок с помощью обработки ультразвуком

Графеновые нанопластинки можно синтезировать посредством эксфолиации графита с помощью ультразвука. Для этого суспензию графита обрабатывают ультразвуком с использованием ультразвукового гомогенизатора зондового типа. Эта процедура была испытана при концентрациях твёрдой фазы от очень низких (например, 4wt% или ниже) до высоких (например, 10wt% или выше).
 
Ghanem и Rehim (2018) сообщают об ультразвуковой эксфолиации графита в воде с использованием додецилбензолсульфоната натрия (SDS) для получения диспергированных графеновых нанопластинок; применение ультразвукового аппарата зондового типа UP 100H позволило успешно получить бездефектный графен с небольшим числом слоёв (>5). Использовался следующий прекурсор: восстановленные графеновые нанолисты были получены методом Hummer и подвергнуты двум дополнительным этапам обработки – окислению графита с последующим восстановлением оксида графена. Таким образом, диспергированные графеновые нанопластинки были получены в воде методом диспергирования в растворителе (см. схему ниже). Слои графита подвергали эксфолиации посредством обработки ультразвуком с использованием ультразвукового аппарата зондового типа UP100H (100 W). 0,25 g SDS растворяли в 150 mL деионизированной воды, а затем добавляли 0,5 g графита. Раствор графита обрабатывали ультразвуком в течение 12h в ледяной бане, после чего полученную суспензию центрифугировали при 686× g в течение 30 min для удаления крупных частиц. Осадок отбрасывали, а надосадочную жидкость повторно центрифугировали в течение 90 min при 12 600× g. Полученные диспергированные графеновые нанопластинки несколько раз тщательно промывали для удаления поверхностно-активного вещества. Наконец, продукт сушили при 60ºC под вакуумом.

Изображения графеновых нанолистов, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения; нанолисты получены
посредством диспергирования в водной фазе с помощью ультразвука и метода Hummer.
(Исследование и схема: Ghanem и Rehim, 2018)

В чём разница между графеновыми листами и нанопластинками?

Графеновые листы и графеновые нанопластинки являются наноматериалами, состоящими из графена, который представляет собой один слой атомов углерода, расположенных в гексагональной решётке. Иногда термины «графеновые листы» и «графеновые нанопластинки» используются как взаимозаменяемые. Однако с научной точки зрения между этими графеновыми наноматериалами есть несколько различий: основное различие между графеновыми листами и графеновыми нанопластинками заключается в их структуре и толщине. Графеновые листы состоят из одного слоя атомов углерода и исключительно тонкие, тогда как графеновые нанопластинки толще и состоят из нескольких уложенных друг на друга слоёв графена. Эти структурные различия могут влиять на их свойства и пригодность для конкретных применений. Использование ультразвуковых аппаратов зондового типа является высокорезультативным и эффективным методом синтеза, диспергирования и функционализации как однослойных графеновых листов, так и графеновых нанопластинок, состоящих из небольшого числа уложенных друг на друга слоёв.

Схема, иллюстрирующая ультразвуковой синтез графеновых нанопластинок с использованием ультразвукового аппарата UP100H
(Исследование и схема: Ghanem и Rehim, 2018)

Диспергирование графеновых нанопластинок с помощью обработки ультразвуком

Равномерное диспергирование графеновых нанопластинок (GNPs) имеет решающее значение для различных применений, поскольку оно напрямую влияет на свойства и эксплуатационные характеристики получаемых материалов или продуктов. Поэтому в различных отраслях устанавливают ультразвуковые аппараты для приготовления дисперсий графеновых нанопластинок. Следующие отрасли являются яркими примерами применения мощного ультразвука:
 

• Нанокомпозиты: Графеновые нанопластинки можно вводить в различные нанокомпозитные материалы, например полимеры, для улучшения их механических, электрических и тепловых свойств. Ультразвуковые аппараты зондового типа способствуют равномерному диспергированию нанопластинок в полимерной матрице, что приводит к улучшению эксплуатационных характеристик материала.
• Электроды и аккумуляторы: Графеновые нанопластинки используются при разработке высокоэффективных электродов для аккумуляторов и суперконденсаторов. Обработка ультразвуком помогает создавать хорошо диспергированные электродные материалы на основе графена с увеличенной площадью поверхности, что улучшает возможности накопления энергии.
• Катализ: Обработка ультразвуком может использоваться для приготовления каталитических материалов на основе графеновых нанопластинок. Равномерное распределение каталитических наночастиц на поверхности графена может повышать каталитическую активность в различных реакциях.
• Сенсоры: Графеновые нанопластинки могут применяться при изготовлении сенсоров для различных задач, включая обнаружение газов, биосенсорный анализ и мониторинг окружающей среды. Обработка ультразвуком обеспечивает однородное распределение нанопластинок в материалах сенсоров, что приводит к улучшению чувствительности и рабочих характеристик.
• Покрытия и плёнки: Ультразвуковые аппараты зондового типа используются для приготовления покрытий и плёнок на основе графеновых нанопластинок для применения в электронике, аэрокосмической отрасли и в качестве защитных покрытий. Равномерное диспергирование и надлежащая адгезия к подложкам имеют решающее значение для этих применений.
• Биомедицинские применения: В биомедицине графеновые нанопластинки могут использоваться для доставки лекарств, визуализации и тканевой инженерии. Обработка ультразвуком помогает приготавливать наночастицы и композиты на основе графена, используемые для этих целей.

СЭМ-изображения графеновых нанопластинок при увеличении (b) X3000 и (c) X8000
(Исследование и изображения: ©Alizadeh et al., 2018)

Научно подтверждённые результаты ультразвукового диспергирования графеновых нанопластинок

Учёные использовали ультразвуковые аппараты Hielscher для синтеза и диспергирования графеновых нанопластинок в многочисленных исследованиях и тщательно изучали воздействие обработки ультразвуком. Ниже приведены несколько примеров успешного введения графеновых нанопластинок в различные смеси, такие как водные суспензии, эпоксидные смолы или строительный раствор.
 
Распространённая процедура надёжного, быстрого и равномерного диспергирования графеновых нанопластинок заключается в следующем:
Для диспергирования графеновые нанопластинки обрабатывали ультразвуком в чистом ацетоне с помощью ультразвукового смесителя Hielscher UP400S в течение почти одного часа, чтобы предотвратить агломерацию графеновых листов. Ацетон полностью удаляли испарением. Затем графеновые нанопластинки добавляли в количестве 1 wt % от эпоксидной системы и обрабатывали ультразвуком в эпоксидной смоле при 90W в течение 15 минут.
(см. Cakir et al., 2016)
 
В другом исследовании изучается улучшение характеристик наножидкостей на основе ионных жидкостей (ионаножидкостей) путём добавления графеновых нанопластинок. Для достижения превосходного диспергирования смесь графеновых нанопластинок, ионной жидкости и додецилбензолсульфоната натрия гомогенизировали с помощью ультразвукового аппарата зондового типа Hielscher UP200S в течение примерно 90 min.
(см. Alizadeh et al., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) сообщают об эффективном введении графеновых нанопластинок в строительный раствор. Для этого водные суспензии графена получали путём добавления нанопластинок – в количествах по массе, определяемых желаемым целевым содержанием в получаемых материалах – в смеси обычной водопроводной воды и пластификатора с последующим перемешиванием на магнитной мешалке в течение 2 min. Суспензии гомогенизировали посредством обработки ультразвуком в течение 90 min при комнатной температуре с использованием аппарата Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH), оснащённого сонотродом диаметром 22mm, обеспечивающим подачу энергии 4500 J/min при частоте 24 kHz. Данное сочетание скорости подачи энергии и продолжительности обработки ультразвуком было признано оптимальным после тщательного исследования влияния параметров обработки ультразвуком на качество суспензии.
(см. Tragazikis et al., 2019)
 
Zainal et al. (2018) утверждают в своём исследовании, что надлежащий метод диспергирования, такой как обработка ультразвуком, обеспечивает возможность улучшения свойств заполняющих материалов с помощью наноматериалов, таких как графеновые нанопластинки. Это связано с тем, что диспергирование является одним из наиболее важных факторов производства высококачественных нанокомпозитов, таких как эпоксидный раствор для заполнения.

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для обработки графеновых нанопластинок

Hielscher Ultrasonics является лидером рынка высокопроизводительных ультразвуковых аппаратов для обработки наноматериалов. Ультразвуковые аппараты зондового типа Hielscher используются по всему миру в лабораториях и на промышленных предприятиях для различных задач, включая обработку графеновых нанопластинок.
Самые современные технологии, немецкое производственное мастерство и инженерные решения, а также многолетний технический опыт делают Hielscher Ultrasonics вашим предпочтительным партнёром для успешного применения ультразвука.

Проектирование, производство и консультации – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями эксплуатации и требовательными рабочими средами.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и удовлетворяют требованиям UL, CSA и RoHs.

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: