Oxid grafénu – ultrazvuková exfoliácia a dispergovanie

Ultrazvuková exfoliácia je široko používaná technika na výrobu oxidu grafénu rozrušovaním oxidu grafitu na tenké jednovrstvové alebo niekoľkovrstvové grafénové pláty. Sonikátory Hielscher vytvárajú intenzívnu akustickú kavitáciu, pri ktorej ultrazvukové vlny s vysokou hustotou energie vytvárajú v kvapalnom prostredí mikro-bubliny s vysokou energiou. Tieto kolabujúce bubliny vytvárajú šmykové sily, ktoré oddeľujú vrstvy oxidu grafitu a účinne ich exfoliujú na nanopláty oxidu grafénu. Využite vysokovýkonný ultrazvuk a posuňte svoju aplikáciu založenú na oxide grafénu na vyššiu úroveň!

Ultrazvuková exfoliácia oxidu grafénu

Oxid grafénu je rozpustný vo vode, amfifilný, netoxický, biologicky rozložiteľný a možno ho ľahko dispergovať za vzniku stabilných koloidov. Ultrazvuková exfoliácia a dispergovanie sú veľmi účinnou, rýchlou a nákladovo efektívnou metódou syntézy, dispergovania a funkcionalizácie oxidu grafénu v priemyselnom meradle. Pri následnom spracovaní ultrazvukové dispergátory vytvárajú vysokovýkonné kompozity oxidu grafénu a polymérov.

Výhody ultrazvukovej exfoliácie

Ultrazvuková exfoliácia ponúka niekoľko výhod vrátane jednoduchosti, škálovateľnosti a šetrnosti k životnému prostrediu, pretože zvyčajne nevyžaduje agresívne chemikálie ani zložité spracovanie. Navyše umožňuje presnú kontrolu veľkosti a hrúbky nanoplátov oxidu grafénu, čo je rozhodujúce pre prispôsobenie ich vlastností rôznym aplikáciám.

Video ukazuje ultrazvukové miešanie a dispergovanie grafitu v 250mL epoxidovej živice (Toolcraft L) pomocou ultrazvukového homogenizátora (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics vyrába zariadenia na dispergovanie grafitu, grafénu, uhlíkových nanorúrok, nanodrôtov alebo plnív v laboratóriu aj vo veľkoobjemových výrobných procesoch. Typickým využitím je dispergovanie nanomateriálov a mikromateriálov počas funkcionalizácie alebo ich dispergovanie do živíc či polymérov.

Protokol: Ultrazvuková exfoliácia oxidu grafénu

Pri regulácii veľkosti nanoplátov oxidu grafénu (GO) zohráva kľúčovú úlohu metóda exfoliácie. Vďaka presne regulovateľným procesným parametrom je ultrazvuková exfoliácia najrozšírenejšou technikou delaminácie pri výrobe vysokokvalitného grafénu a oxidu grafénu.
Na ultrazvukovú exfoliáciu oxidu grafénu z oxidu grafitu sú k dispozícii rôzne protokoly. Nižšie nájdete príklad protokolu ultrazvukovej exfoliácie oxidu grafénu:
Prášok oxidu grafitu sa zmieša s vodným roztokom KOH s hodnotou pH 10. Na exfoliáciu a následné dispergovanie sa používa sondový ultrazvukový prístroj UP200St (200W). Následne sa na bazálnu rovinu grafénu naviažu ióny K+, aby sa vyvolal proces starnutia. Starnutie prebieha pri rotačnom odparovaní (2 h). Na odstránenie nadbytočných iónov K+ sa prášok opakovane premýva a centrifuguje.
Získaná zmes sa centrifuguje a lyofilizuje, čím sa vyzráža dispergovateľný prášok oxidu grafénu.
Príprava vodivej pasty oxidu grafénu: Prášok oxidu grafénu možno za pôsobenia ultrazvuku dispergovať v dimetylformamide (DMF), aby sa vytvorila vodivá pasta. (Han et al.2014)

Ultrazvuková exfoliácia sa široko používa na výrobu grafénových nanoplátov a oxidu grafénu. Ultrazvukové systémy Hielscher presviedčajú ako veľmi účinná, nákladovo efektívna a rýchla technika syntézy grafénu, ktorá sa používa pri veľkých prúdoch suspenzií a pri hromadnej výrobe grafénu.
Zdroj obrázka: 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.

Mechanizmus ultrazvukovej exfoliácie oxidu grafénu
(Obr.: Potts et al. 2011)

Ultrazvuková funkcionalizácia oxidu grafénu

Sonikácia sa úspešne používa na začlenenie oxidu grafénu (GO) do polymérov a kompozitov.
Príklady:

kompozit oxidu grafénu a mikroguľôčok TiO2
kompozit polystyrénu, magnetitu a oxidu grafénu (so štruktúrou jadro–obal)
kompozity polystyrénu a redukovaného oxidu grafénu
kompozit polystyrénu/oxidu grafénu (PANI-PS/GO) so štruktúrou jadro–obal, pokrytý polyanilínovými nanovláknami
oxid grafénu interkalovaný polystyrénom
oxid grafénu modifikovaný p-fenyléndiamínom-4vinylbenzen-polystyrénom

Aplikácie oxidu grafénu vyrobeného ultrazvukovou exfoliáciou

Oxid grafénu vyrobený ultrazvukovou exfoliáciou má široké uplatnenie v rôznych oblastiach. V elektronike sa používa v ohybných vodivých fóliách a snímačoch; pri skladovaní energie zvyšuje výkonnosť batérií a superkondenzátorov. Vďaka antibakteriálnym vlastnostiam je oxid grafénu cenný v biomedicínskych aplikáciách, zatiaľ čo jeho veľká plocha povrchu a funkčné skupiny sú výhodné pri katalýze a sanácii životného prostredia. Celkovo ultrazvuková exfoliácia umožňuje účinnú výrobu vysokokvalitného oxidu grafénu na použitie v špičkových technológiách.

Naučte sa vyrábať vysokokvalitný jednovrstvový grafén ultrazvukovou exfoliáciou pomocou vysokovýkonných sondových sonikátorov. Sonikácia je jednoduchá, účinná a škálovateľná metóda výroby grafénových disperzií s vysokou výťažnosťou a vynikajúcou kvalitou vrstiev.

Sonikátory na spracovanie grafénu a oxidu grafénu

Hielscher Ultrasonics ponúka vysokovýkonné ultrazvukové systémy na exfoliáciu, dispergovanie a spracovanie grafénu a oxidu grafénu. Spoľahlivé ultrazvukové procesory a prepracované reaktory poskytujú presnú reguláciu, ktorá umožňuje prispôsobiť ultrazvukové procesy požadovaným cieľom.
Jedným z rozhodujúcich parametrov je amplitúda ultrazvuku, ktorá určuje rozťahovanie a zmršťovanie ultrazvukovej sondy pri kmitaní. Priemyselné ultrazvukové prístroje Hielscher dosahujú vysoké amplitúdy až do 200µm pri nepretržitej prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sondy na mieru. Všetky procesory možno presne prispôsobiť procesným podmienkam a monitorovať prostredníctvom vstavaného softvéru, čím sa zabezpečuje spoľahlivosť, stabilná kvalita a reprodukovateľné výsledky.
Sonikátory Hielscher sú robustné a môžu nepretržite pracovať v náročných prevádzkových podmienkach, vďaka čomu je sonikácia preferovanou výrobnou technológiou na prípravu grafénu, oxidu grafénu a grafitových materiálov vo veľkom meradle.
Široký sortiment ultrazvukových prístrojov a príslušenstva vrátane sonotród a reaktorov rôznych veľkostí a geometrií umožňuje zvoliť optimálne reakčné podmienky a faktory, ako sú činidlá, prívod ultrazvukovej energie, tlak, teplota a prietok, na dosiahnutie najvyššej kvality. Ultrazvukové reaktory Hielscher možno dokonca natlakovať až na niekoľko stoviek barg, čo umožňuje sonikáciu vysoko viskóznych pást s viskozitou presahujúcou 250 000 centipoise.
Vďaka týmto faktorom ultrazvuková delaminácia a exfoliácia prekonávajú konvenčné techniky.

Ak sa chcete dozvedieť viac o ultrazvukovej syntéze, dispergovaní a funkcionalizácii grafénu, kliknite sem:

Užitočné fakty

Ultrazvuk a kavitácia: Ako sa grafit exfoliuje na oxid grafénu pomocou sonikácie?

Ultrazvuková exfoliácia oxidu grafitu (GrO) je založená na vysokej šmykovej sile vyvolanej akustickou kavitáciou. Akustická kavitácia vzniká v dôsledku striedania cyklov vysokého a nízkeho tlaku, ktoré sa vytvárajú prenosom výkonných ultrazvukových vĺn do kvapaliny. Počas cyklov nízkeho tlaku vznikajú veľmi malé dutiny alebo vákuové bubliny, ktoré počas opakujúcich sa cyklov nízkeho tlaku rastú. Keď vákuové bubliny dosiahnu veľkosť, pri ktorej už nedokážu absorbovať viac energie, počas cyklu vysokého tlaku prudko skolabujú. Implózia bublín vytvára kavitačné šmykové sily a vlny mechanického napätia, extrémnu teplotu až do 6000K, extrémne rýchlosti ochladzovania nad 10¹⁰K/s, veľmi vysoké tlaky až do 2000atm, extrémne tlakové rozdiely, ako aj prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 1000km/h (∼280m/s).
Tieto intenzívne sily pôsobia na súvrstvia grafitu, ktoré sa delaminujú na jednovrstvové alebo niekoľkovrstvové nanopláty oxidu grafénu a čistého grafénu.

Čo je oxid grafénu?

Oxid grafénu (GO) sa syntetizuje exfoliáciou oxidu grafitu (GrO). Zatiaľ čo oxid grafitu je 3D materiál pozostávajúci z miliónov grafénových vrstiev s interkalovaným kyslíkom, oxid grafénu je jednovrstvový alebo niekoľkovrstvový grafén s kyslíkom viazaným na oboch stranách.
Oxid grafénu a grafén sa od seba líšia týmito vlastnosťami: oxid grafénu je polárny, zatiaľ čo grafén je nepolárny. Oxid grafénu je hydrofilný, zatiaľ čo grafén je hydrofóbny.
To znamená, že oxid grafénu je rozpustný vo vode, amfifilný, netoxický, biologicky rozložiteľný a tvorí stabilné koloidné suspenzie. Povrch oxidu grafénu obsahuje epoxidové, hydroxylové a karboxylové skupiny, ktoré môžu interagovať s katiónmi a aniónmi. Vďaka svojej jedinečnej organicko–anorganickej hybridnej štruktúre a výnimočným vlastnostiam majú kompozity GO a polymérov vysoký potenciál pre rozmanité priemyselné aplikácie. (Tolasz et al. 2014)

Čo je redukovaný oxid grafénu?

Redukovaný oxid grafénu (rGO) sa vyrába ultrazvukovou, chemickou alebo tepelnou redukciou oxidu grafénu. Počas redukčného kroku sa odstráni väčšina kyslíkových funkčných skupín oxidu grafénu, takže výsledný redukovaný oxid grafénu (rGO) má veľmi podobné vlastnosti ako čistý grafén. Redukovaný oxid grafénu (rGO) však nie je bez defektov a čistý ako čistý grafén.

Literatúra/Referencie

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.