Grafen oksid – Ultrazvočni piling in disperzija
Ultrazvočni piling je široko uporabljena tehnika za proizvodnjo grafenskega oksida z razgradnjo grafitnega oksida na tanke, eno- ali večplastne grafenske liste. Hielscher sonicatorji ustvarjajo intenzivno akustično kavitacijo, kjer energijsko gosto ultrazvočni valovi ustvarjajo visokoenergijske mikromehurčke v tekočem mediju. Ti propadajoči mehurčki ustvarjajo strižne sile, ki ločujejo plasti grafitnega oksida in jih učinkovito luščijo v nanoplošče grafen oksida. Izkoristite visoko zmogljive ultrazvoke, da svojo aplikacijo na osnovi grafen oksida dvignete na naslednjo raven!
Ultrazvočni piling grafenskega oksida
Grafen oksid je topen v vodi, amfifilen, netoksičen, biorazgradljiv in se lahko zlahka razprši v stabilne koloide. Ultrazvočni piling in disperzija je zelo učinkovita, hitra in stroškovno učinkovita metoda za sintezo, razprševanje in funkcionalizacijo grafen oksida v industrijskem obsegu. Pri nadaljnji obdelavi ultrazvočni dispergatorji proizvajajo visoko zmogljive grafen-oksid-polimerne kompozite.
Prednosti ultrazvočnega pilinga
Ultrazvočni piling ponuja več prednosti, vključno s preprostostjo, razširljivostjo in prijaznostjo do okolja, saj običajno ne zahteva ostrih kemikalij ali zapletene obdelave. Poleg tega omogoča natančen nadzor nad velikostjo in debelino nanolistov grafen oksida, kar je ključnega pomena za uglaševanje njihovih lastnosti v različnih aplikacijah.
Industrijski sonikator UIP16000hdT za luščenje grafenskega oksida z visoko zmogljivostjo
Protokol: Ultrazvočni piling grafenskega oksida
Za nadzor velikosti nanolistov grafen oksida (GO) ima metoda pilinga ključni dejavnik. Zaradi natančno nadzorovanih procesnih parametrov je ultrazvočni piling najbolj razširjena tehnika delaminacije za proizvodnjo visoko kakovostnega grafena in grafen oksida.
Za ultrazvočno piling grafen oksida iz grafitnega oksida so na voljo različni protokoli. Spodaj poiščite zgledni protokol za ultrazvočni piling grafen oksida:
Prašek grafitnega oksida se zmeša v vodni KOH s pH vrednostjo 10. Za piling in kasnejšo disperzijo se uporablja ultrazvočni aparat sonde UP200St (200W). Nato se ioni K+ pritrdijo na bazalno ravnino grafena, da sprožijo proces staranja. Staranje se doseže z rotacijskim izhlapevanjem (2 uri). Da bi odstranili odvečne ione K+, prašek večkrat speremo in centrifugiramo.
Dobljena zmes se centrifugira in liofilizira, tako da se obori disperzibilni prah grafen oksida.
Priprava prevodne paste iz grafen oksida: Prašek grafen oksida se lahko dispergira v dimetilformamidu (DMF) pod ultrazvočnim razbijanjem, da se proizvede prevodna pasta. (Han et al.2014)
Mehanizem ultrazvočnega pilinga grafen oksida
(Slika: Potts et al. 2011)
Ultrazvočna funkcionalizacija grafenskega oksida
Sonication se uspešno uporablja za vključitev grafen oksida (GO) v polimere in kompozite.
Primeri:
- grafen oksid-TiO2 mikrosferni kompozit
- Kompozit polistiren-magnetit-grafen oksid (struktura jedro-lupina)
- polistirenski reducirani kompoziti grafen oksida
- polianilin, prevlečen z nanovlakni, polianilin, polistiren/grafen oksid (PANI-PS/GO) jedrni kompozit
- polistirenski interkalirani grafen oksid
- P-fenilendiamin-4vinilbenzen-polistiren, modificiran grafen oksid
Ultrazvočni aparat UP400St za pripravo grafenskih nanotrombocitnih disperzij
Uporaba grafen oksida, proizvedenega z ultrazvočnim pilingom
Grafen oksid, proizveden z ultrazvočnim pilingom, ima široko uporabo na različnih področjih. V elektroniki se uporablja v fleksibilnih prevodnih filmih in senzorjih; Pri shranjevanju energije izboljšuje zmogljivost baterij in superkondenzatorjev. Zaradi antibakterijskih lastnosti grafen oksida je dragocen v biomedicinskih aplikacijah, medtem ko so njegova velika površina in funkcionalne skupine koristne pri katalizi in sanaciji okolja. Na splošno ultrazvočni piling omogoča učinkovito proizvodnjo visokokakovostnega grafen oksida za uporabo v najsodobnejših tehnologijah.
Sonikatorji za obdelavo grafena in grafenskega oksida
Hielscher Ultrasonics ponuja ultrazvočne sisteme visoke moči za piling, razprševanje in obdelavo grafena in grafen oksida. Zanesljivi ultrazvočni procesorji in sofisticirani reaktorji zagotavljajo natančen nadzor, ki omogoča nastavitev ultrazvočnih procesov na želene cilje.
Eden ključnih parametrov je ultrazvočna amplituda, ki določa vibracijsko ekspanzijo in krčenje ultrazvočne sonde. Hielscher industrijski ultrazvočni aparati zagotavljajo visoke amplitude, do 200 μm, neprekinjeno delujejo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonde. Vse procesorje je mogoče natančno prilagoditi procesnim pogojem in jih spremljati z vgrajeno programsko opremo, kar zagotavlja zanesljivost, dosledno kakovost in ponovljive rezultate.
Hielscher sonicatorji so robustni in lahko neprekinjeno delujejo v težkih okoljih, zaradi česar je ultrazvočna tehnologija najprimernejša proizvodna tehnologija za pripravo grafena, grafen oksida in grafitnega materiala.
Široka paleta ultrazvočnih aparatov in dodatkov, vključno s sonotrodami in reaktorji različnih velikosti in geometrij, omogoča izbiro optimalnih reakcijskih pogojev in dejavnikov, kot so reagenti, ultrazvočni vnos energije, tlak, temperatura in pretok, da se doseže najvišja kakovost. Hielscherjevi ultrazvočni reaktorji lahko celo tlačijo do več sto bargov, kar omogoča ultrazvočno razbijanje visoko viskoznih past z viskoznostjo, ki presega 250.000 centipoise.
Ultrazvočna delaminacija in piling sta zaradi teh dejavnikov odlična za konvencionalne tehnike.
- visoka moč
- visoke strižne sile
- Uporabljajo se visoki tlaki
- natančen nadzor
- Brezhibna razširljivost (linearno)
- šaržni in neprekinjeni
- ponovljivi rezultati
- Zanesljivost
- Robustnosti
- visoka energetska učinkovitost
Ultrazvočni sistem za piling grafenskega oksida
Če želite izvedeti več o ultrazvočni sintezi, disperziji in funkcionalizaciji grafena, kliknite tukaj:
- Proizvodnja grafena
- Grafenske nanoploščice
- Piling grafena na vodni osnovi
- Grafen, ki se dispergira v vodi
- Grafen oksid
- Xenes
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Ultrazvok in kavitacija: Kako se grafit lušči v grafen oksid z uporabo ultrazvočnega razbijanja?
Ultrazvočni piling grafitnega oksida (GrO) temelji na visoki strižni sili, ki jo povzroča akustična kavitacija. Akustična kavitacija nastane zaradi izmeničnih visokotlačnih / nizkotlačnih ciklov, ki nastanejo s spajanjem močnih ultrazvočnih valov v tekočini. Med nizkotlačnimi cikli se pojavijo zelo majhne praznine ali vakuumski mehurčki, ki rastejo v izmeničnih nizkotlačnih ciklih. Ko vakuumski mehurčki dosežejo velikost, da ne morejo absorbirati več energije, se med ciklom visokega tlaka silovito zrušijo. Implozija mehurčkov povzroči kavitacijske strižne sile in napetostne valove, ekstremno temperaturo do 6000 K, ekstremne hitrosti hlajenja nad 1010K/s, zelo visoki tlaki do 2000 atm, ekstremne razlike v tlaku in tekočinski curki do 1000 km/h (∼280 m/s).
Te intenzivne sile vplivajo na grafitne sklade, ki se razslojijo v eno- ali večplastne grafen oksid in nedotaknjene grafenske nanoplošče.
Kaj je grafen oksid?
Grafen oksid (GO) se sintetizira s pilingom grafitnega oksida (GrO). Medtem ko je grafitni oksid 3D material, sestavljen iz milijonov plasti grafenskih plasti z interkaliranimi kisiki, je grafenski oksid eno- ali večplastni grafen, ki je oksigeniran na obeh straneh.
Grafen oksid in grafen se med seboj razlikujeta po naslednjih značilnostih: grafen oksid je polaren, grafen pa nepolaren. Grafen oksid je hidrofilen, medtem ko je grafen hidrofoben.
To pomeni, da je grafen oksid topen v vodi, amfifilen, netoksičen, biološko razgradljiv in tvori stabilne koloidne suspenzije. Površina grafen oksida vsebuje epoksi, hidroksilne in karboksilne skupine, ki so na voljo za interakcijo s kationi in anioni. Zaradi svoje edinstvene organsko-anorganske hibridne strukture in izjemnih lastnosti GO-polimerni kompoziti ponujajo velik potencial za različne industrijske aplikacije. (Tolasz et al. 2014)
Kaj je reducirani grafen oksid?
Reducirani grafen oksid (rGO) nastaja z ultrazvočno, kemično ali toplotno redukcijo grafen oksida. Med redukcijskim korakom se odstrani večina kisikovih funkcionalnosti grafen oksida, tako da ima nastali reducirani grafen oksid (rGO) zelo podobne lastnosti kot nedotaknjen grafen. Vendar pa reducirani grafen oksid (rGO) ni brez napak in nedotaknjen kot čisti grafen.
Literatura/Reference
- 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.