Ультразвуковая эксфолиация диспергируемого в воде графена

• Одно- и двухслойные нанолисты графена можно быстро получать методом ультразвуковой эксфолиации с высокой производительностью и низкими затратами.
• Графен, полученный методом ультразвуковой эксфолиации, можно функционализировать биополимерами для получения диспергируемого в воде графена.
• С помощью ультразвуковой кавитации синтезированный графен можно далее переработать в стабильную водную дисперсию.

Ультразвуковая эксфолиация высококачественного графена

Обработка ультразвуком – надежный метод получения слоев графена (одно-, двух- и малослойного графена) из чешуек или частиц графита. Тогда как другие распространенные методы эксфолиации, например с использованием шаровых и валковых мельниц или смесителей с высокими сдвиговыми усилиями, связаны с низким качеством и применением агрессивных реагентов и растворителей, метод ультразвуковой эксфолиации отличается высоким качеством получаемого продукта, высокой производительностью процесса и мягкими условиями обработки.
Ультразвуковая кавитация создает интенсивные сдвиговые усилия, которые разделяют уложенные друг на друга слои графита на одно-, двух- и малослойный графен без дефектов.

Диспергируемые в воде листы графена благодаря обработке ультразвуком

Обработка ультразвуком – эффективная процедура с воспроизводимыми результатами для распутывания углеродных нанотрубок в воде или органических растворителях.[/caption]В обычных условиях графен с трудом диспергируется в воде и при диспергировании в водной среде образует агрегаты и агломераты. Поскольку водные системы обладают существенными преимуществами – низкой стоимостью, нетоксичностью и экологичностью, водные системы с графеном весьма привлекательны для производителей графена и отраслей, использующих его в дальнейшей переработке.
Для получения диспергируемых в воде нанолистов графена графен, полученный методом ультразвуковой эксфолиации, модифицируют полисахаридами / биополимерами, такими как пуллулан, хитозан, альгинат, желатин или гуммиарабик.

Протокол прямой эксфолиации графита с помощью ультразвука

Неионный пуллулан и анионный альгинат (1,0 g) по отдельности растворяли в 20 ml дистиллированной воды, тогда как катионный хитозан (0,4 g) растворяли в 20 ml дистиллированной воды с 1 wt% уксусной кислоты. Порошок графита диспергировали в водных растворах биополимеров и обрабатывали ультразвуковым аппаратом зондового типа UP200S (максимальная мощность 200 W, частота 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Германия), оснащенным титановым сонотродом (микронаконечник S3, диаметр наконечника 3 mm, максимальная амплитуда 210µm, плотность акустической мощности или поверхностная интенсивность 460 W cm-2), при следующих условиях: коэффициент заполнения импульсов 0,5 и амплитуда 50%, в течение 10, 20, 30 и 60 min соответственно. Наилучшие результаты были получены при обработке ультразвуком в течение 30min. Обработку ультразвуком проводили при мощности 16,25 W в течение 30 минут с энергопотреблением (выходом энергии на единицу объема) 731 Ws ml-1.
Затем смеси центрифугировали при 1500 rpm в течение 60 min для удаления неэксфолиированных частиц графита, после чего промывали 5 раз и снова центрифугировали при 5000 rpm в течение 20 min для удаления избытка биополимеров. Полученные темно-серые растворы сушили в вакууме при 40ºC до прекращения потери массы. Полученные порошки полимер–графен повторно диспергировали в воде (1 mg ml-1 для пуллулана и хитозана; 0,18 mg ml-1 для альгината) для определения характеристик. Листы графена, полученные при обработке ультразвуком с использованием пуллулана, альгината и хитозана, обозначали как pull-G, alg-G и chit-G соответственно.
Из трех систем пуллулан и хитозан оказались более эффективными при эксфолиации графита, чем альгинат. Этот метод позволил получить эксфолиированные одно-, двух- и малослойные листы графена лишь с небольшим количеством боковых (краевых) дефектов. Адсорбция биополимеров на поверхности графена обеспечивает длительную стабильность (более 6 месяцев) водной дисперсии.
(ср. Unalan et al. 2015)

Последовательность кадров высокоскоростной съемки (от a до f), иллюстрирующая ультразвуковую механическую эксфолиацию чешуйки графита в воде с использованием UP200S, ультразвукового аппарата мощностью 200W с сонотродом диаметром 3 mm. Стрелки показывают место расщепления (эксфолиации) с кавитационными пузырьками, проникающими в образовавшуюся щель.
(исследование и изображения: © Tyurnina et al. 2020

Ультразвуковые аппараты для эксфолиации графена

Мощные ультразвуковые процессоры Hielscher используются во всем мире для успешной эксфолиации и диспергирования графита и графена. Наши ультразвуковые диспергаторы доступны в исполнениях от лабораторных и настольных до полноценных промышленных производственных установок. Помимо прочности, возможности работы в режиме 24/7 и низких требований к техническому обслуживанию, ультразвуковые аппараты Hielscher отличаются высокой простотой обработки и линейной масштабируемостью.
Процессы можно легко испытывать и оптимизировать в лаборатории. Затем все результаты процесса можно масштабировать полностью линейно до уровня коммерческого производства. Это делает обработку ультразвуком результативным и эффективным методом производства больших объемов высококачественных листов графена.
Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200µm можно легко поддерживать непрерывно в режиме работы 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Подходящие ультразвуковые реакторы обеспечивают возможность надежного и безопасного массового производства высококачественных нанолистов графена, а также стабильных дисперсий нанолистов.

Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях.
Приведенная ниже таблица дает представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: