• Mono-a bi-vrstva Graphene nanolisty môžu byť vyrábané rýchlo pomocou ultrazvukového exfoliácia s vysokou priepustnosťou a pri nízkych nákladoch.
• Rozpúšťadle exfoliovaný Graphene môže byť funkné s biopolymérov s cieľom získať vodu dispergovateľné Graphene.
• Ultrazvukový kavitácie, syntetizovaný Graphene môžu byť ďalej spracované do stabilnej vodnej báze disperzie.

Ultrazvukový exfoliácia vysokej kvality Graphene

Ultrazvukom je spoľahlivý spôsob, ako produkovať Graphene vrstiev (mono-, bi-a málo-vrstva Graphene) z grafitových vločiek alebo častíc. Zatiaľ čo iné spoločné techniky exfoliácia, ako sú guľové a valčeky alebo high-šmyku miešačky sú spojené s nízkou kvalitou a používanie agresívnych reagencií a rozpúšťadiel, Ultrazvukový exfoliácia metóda presvedčí jeho vysoko kvalitný výkon, Vysoká kapacita procesu a mierne podmienky spracovania.
Ultrazvuková kavitácia vytvára intenzívne šmykové sily, ktoré oddeľujú naskladané grafitové vrstvy na mono-, bi- a niekoľko vrstiev bezdefektného grafénu.

Grafénové listy dispergovateľné vo vode prostredníctvom ultrazvukom

Ultrazvukom je účinný postup s opakovateľnými výsledkami na rozmotanie uhlíknanorúrok vo vode alebo organických rozpúšťadlách. [/titulok] Za normálnych podmienok je grafén ťažko dispergovateľný vo vode a tvorí agregáty a aglomeráty, keď je rozptýlený vo vodnom médiu. Keďže vodné systémy majú významné výhody v tom, že sú lacné, netoxické, ekologické, grafénové systémy na vodnej báze sú veľmi atraktívne pre výrobcov grafénu a nadväzujúci priemysel.
Aby bolo možné získať vodu-dispersable Graphene nanolistov, rozpúšťadle exfoliovaný Graphene sa mení s polysacharidy/biopolyméry, ako je pullulan, chitosan, alginát, želatína alebo guma arabčiny.

Protokol priamej exfoliácie grafitu pomocou ultrazvuku

Neiónový pullulán a aniónový alginát (1,0 g) boli oddelene rozpustené v 20 ml destilovanej vody, zatiaľ čo katiónový chitosan (0,4 g) bol rozpustený v 20 ml destilovanej vody s 1 hm. % kyseliny octovej. Grafitový prášok bol dispergovaný vo vodných roztokoch biopolyméru a ošetrený pomocou sondového typu ultrasonicator UP200S (maximálny výkon 200 W, frekvencia 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Nemecko) vybavený titánovou sonotródou (mikro hrot S3, priemer hrotu 3 mm, maximálna amplitúda 210μm, hustota akustického výkonu alebo povrchová intenzita 460 W cm-2) za nasledujúcich podmienok: 0,5 cyklu a 50% amplitúda, po dobu 10, 20, 30 a 60 minút. Najlepšie výsledky boli dosiahnuté pri 30min ultrazvukom. Sonikácia bola aplikovaná pri výkone 16, 25 W po dobu 30 minút, so spotrebou energie (energetický výstup na jednotku objemu) 731 Ws ml-1.
Následne boli zmesi odstredené pri 1500 ot / min po dobu 60 minút, aby sa odstránili neexfoliované grafitové častice a potom boli 5 krát premyté a znova odstredené pri 5000 ot / min po dobu 20 minút, aby sa odstránili prebytočné biopolyméry. Výsledné tmavosivé roztoky boli vákuovo sušené pri teplote 40 °C, až kým nedošlo k strate hmotnosti. Výsledné polymérovo-grafénové prášky boli redispergované vo vode (1 mg ml-1 pre pullulán a chitosan; 0,18 mg ml-1 pre alginát) na charakterizáciu. Grafénové listy získané ultrazvukom pullulan-, alginát-a chitosan-asistované ultrazvukom boli indikované ako pull-G, alg-G a chit-G, v uvedenom poradí.
Z troch systémov, pullulan a chitosan boli účinnejšie pri exfoliácii grafitu ako alginát. Táto metóda priniesla exfoliované mono-, Bi-, a málo-vrstvové Graphene listy s iba nízkou bočné (hrany) vady. Adsorpcia biopolymérov na graféne povrchu poskytuje dlhotrvajúcu stabilitu (viac ako 6 mesiacov) vodnej disperzie.
(porov. Unalan et al. 2015)

Vysokorýchlostná sekvencia (od a po f) rámov znázorňujúca sonomechanické odlupovanie grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, 200W ultrasonicator s 3-mm sonotródou. Šípky ukazujú miesto rozdelenia (exfoliácie) s kavitačnými bublinami prenikajúcimi do rozdelenia.
(štúdia a obrázky: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicators pre exfoliáciu grafénu

Hielscher vysokovýkonné ultrazvukové procesory sa používajú po celom svete pre úspešnú exfoliáciu a disperziu grafitu a grafénu. Naše ultrazvukové rozptyľovače sú k dispozícii od laboratórnych a lavicových až po úplné priemyselné výrobné jednotky. Okrem robustnosti, prevádzky 24/7 a nízkej údržby, Hielscher ultrasonicators presvedčiť vysokou jednoduchosťou spracovania a lineárnou škálovateľnosťou.
Procesy môžu byť ľahko testované a optimalizované v laboratóriu. Potom môžu byť všetky výsledky procesu zmenšené úplne lineárne na komerčnú výrobnú úroveň. To robí ultrazvukom efektívnu a efektívnu výrobnú metódu pre vysoký objem vysoko kvalitných grafénových hárkov.
Hielscher Ultrazvukové priemyselné ultrazvukové procesory môžu dodávať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200μm môžu byť ľahko nepretržite prevádzkované v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Zodpovedajúce ultrazvukové reaktory zabezpečujú schopnosť spoľahlivej a bezpečnej hromadnej výroby vysoko kvalitných grafénových nanovrstiev, ako aj stabilných disperzií nanovrstiev.

Robustnosť ultrazvukových zariadení spoločnosti Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne 7 dní v týždni v náročných a náročných prostrediach.
Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov: