Ultrazvuková exfoliácia grafénu dispergovateľného vo vode

• Jednovrstvové a dvojvrstvové grafénové nanodoštičky možno rýchlo vyrábať ultrazvukovou exfoliáciou s vysokou výrobnou kapacitou a pri nízkych nákladoch.
• Ultrazvukovo exfoliovaný grafén možno funkcionalizovať biopolymérmi s cieľom získať grafén dispergovateľný vo vode.
• Pomocou ultrazvukovej kavitácie možno syntetizovaný grafén ďalej spracovať na stabilnú disperziu na báze vody.

Ultrazvuková exfoliácia vysokokvalitného grafénu

Ultrazvukové spracovanie je spoľahlivá metóda výroby grafénových vrstiev (jednovrstvového, dvojvrstvového a niekoľkovrstvového grafénu) z grafitových vločiek alebo častíc. Zatiaľ čo iné bežné exfoliačné techniky, ako sú guľové a valcové mlyny alebo vysokostrihové miešačky, sú spojené s nízkou kvalitou a používaním agresívnych činidiel a rozpúšťadiel, metóda ultrazvukovej exfoliácie presviedča vysokou kvalitou výsledného produktu, vysokou kapacitou spracovania a miernymi podmienkami spracovania.
Ultrazvuková kavitácia vytvára intenzívne šmykové sily, ktoré oddeľujú navrstvené grafitové vrstvy na jednu, dve alebo niekoľko vrstiev grafénu bez defektov.

Grafénové doštičky dispergovateľné vo vode pomocou sonikácie

Ultrazvukové spracovanie je účinný postup s opakovateľnými výsledkami na rozpletanie uhlíkových nanorúrok vo vode alebo v organických rozpúšťadlách.[/caption]Za bežných podmienok sa grafén vo vode disperguje len ťažko a pri dispergovaní vo vodnom prostredí vytvára agregáty a aglomeráty. Keďže vodné systémy majú významné výhody, ako sú nízke náklady, netoxickosť a šetrnosť k životnému prostrediu, grafénové systémy na báze vody sú veľmi atraktívne pre výrobcov grafénu aj pre nadväzujúce priemyselné odvetvia.
Na získanie grafénových nanodoštičiek dispergovateľných vo vode sa ultrazvukovo exfoliovaný grafén modifikuje polysacharidmi / biopolymérmi, ako sú pululán, chitozán, alginát, želatína alebo arabská guma.

Protokol priamej exfoliácie grafitu pomocou ultrazvuku

Neiónový pululán a aniónový alginát (1,0 g) sa samostatne rozpustili v 20 ml destilovanej vody, zatiaľ čo katiónový chitozán (0,4 g) sa rozpustil v 20 ml destilovanej vody s 1 hmotnostným % kyseliny octovej. Grafitový prášok sa dispergoval vo vodných roztokoch biopolymérov a spracoval pomocou sondového ultrazvukového zariadenia UP200S (maximálny výkon 200 W, frekvencia 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Nemecko) vybaveného titánovou sonotródou (mikrohrot S3, priemer hrotu 3 mm, maximálna amplitúda 210µm, hustota akustického výkonu alebo povrchová intenzita 460 W cm-2) za nasledujúcich podmienok: cyklus 0,5 a amplitúda 50%, počas 10, 20, 30 a 60 min. Najlepšie výsledky sa dosiahli pri sonikácii trvajúcej 30min. Sonikácia sa vykonávala pri výkone 16,25 W počas 30 minút so spotrebou energie (energetický výstup na jednotku objemu) 731 Ws ml-1.
Následne sa zmesi centrifugovali pri 1500 rpm počas 60 min na odstránenie neexfoliovaných grafitových častíc, potom sa 5-krát premyli a opäť centrifugovali pri 5000 rpm počas 20 min na odstránenie prebytočných biopolymérov. Výsledné tmavosivé roztoky sa sušili vo vákuu pri 40ºC, až kým neprestala klesať ich hmotnosť. Výsledné prášky polymér–grafén sa na účely charakterizácie opätovne dispergovali vo vode (1 mg ml-1 pre pululán a chitozán; 0,18 mg ml-1 pre alginát). Grafénové doštičky získané ultrazvukovým spracovaním za pomoci pululánu, alginátu a chitozánu sa označili ako pull-G, alg-G a chit-G v uvedenom poradí.
Z týchto troch systémov boli pululán a chitozán pri exfoliácii grafitu účinnejšie než alginát. Touto metódou sa získali exfoliované jednovrstvové, dvojvrstvové a niekoľkovrstvové grafénové doštičky len s nízkym výskytom laterálnych (okrajových) defektov. Adsorpcia biopolymérov na povrchu grafénu zabezpečuje dlhodobú stabilitu vodnej disperzie (viac ako 6 mesiacov).
(porov. Unalan et al. 2015)

Vysokorýchlostná sekvencia snímok (od a po f) znázorňujúca sonomechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, ultrazvukového zariadenia s výkonom 200W a 3-mm sonotródou. Šípky označujú miesto rozštiepenia (exfoliácie), do ktorého prenikajú kavitačné bubliny.
(štúdia a snímky: © Tyurnina et al. 2020

Ultrazvukové zariadenia na exfoliáciu grafénu

Vysokovýkonné ultrazvukové procesory Hielscher sa používajú na celom svete na úspešnú exfoliáciu a dispergovanie grafitu a grafénu. Naše ultrazvukové dispergátory sú dostupné od laboratórnych a stolových zariadení až po plnohodnotné priemyselné výrobné jednotky. Okrem robustnosti, prevádzky 24/7 a nízkych nárokov na údržbu presviedčajú ultrazvukové zariadenia Hielscher veľkou jednoduchosťou spracovania a lineárnou škálovateľnosťou.
Procesy možno jednoducho testovať a optimalizovať v laboratóriu. Následne možno všetky výsledky procesu preniesť úplne lineárne na úroveň komerčnej výroby. Vďaka tomu je sonikácia účinnou a efektívnou výrobnou metódou na výrobu veľkého množstva vysokokvalitných grafénových doštičiek.
Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200µm možno jednoducho udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru. Zodpovedajúce ultrazvukové reaktory zabezpečujú možnosť spoľahlivej a bezpečnej hromadnej výroby vysokokvalitných grafénových nanodoštičiek, ako aj stabilných disperzií nanodoštičiek.

Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových zariadení: