Ultrazvočna eksfoliacija grafena, disperzibilnega v vodi

• Enoslojne in dvoslojne grafenske nanoplošče je mogoče hitro proizvesti z ultrazvočno eksfoliacijo z visoko zmogljivostjo obdelave in nizkimi stroški.
• Ultrazvočno eksfoliirani grafen je mogoče funkcionalizirati z biopolimeri, da dobimo grafen, disperzibilen v vodi.
• Z ultrazvočno kavitacijo je mogoče sintetizirani grafen nadalje predelati v stabilno disperzijo na vodni osnovi.

Ultrazvočna eksfoliacija visokokakovostnega grafena

Ultrazvočna obdelava je zanesljiva metoda za pridobivanje grafenskih slojev (enoslojnega, dvoslojnega in večslojnega grafena z majhnim številom slojev) iz grafitnih lusk ali delcev. Medtem ko so druge običajne tehnike eksfoliacije, kot so kroglični in valjčni mlini ali mešalniki z visokim strigom, povezane z nizko kakovostjo ter uporabo agresivnih reagentov in topil, metoda ultrazvočne eksfoliacije prepriča z visoko kakovostjo izdelka, visoko zmogljivostjo procesa in blagimi pogoji obdelave.
Ultrazvočna kavitacija ustvarja močne strižne sile, ki zložene grafitne sloje ločijo v enoslojni, dvoslojni in večslojni grafen z majhnim številom slojev brez napak.

Grafenske plošče, disperzibilne v vodi, s sonikacijo

Ultrazvočna obdelava je učinkovit postopek s ponovljivimi rezultati za razpletanje ogljikovih nanocevk v vodi ali organskih topilih.[/caption]V običajnih pogojih je grafen težko disperzibilen v vodi in pri dispergiranju v vodnem mediju tvori agregate in aglomerate. Ker imajo vodni sistemi pomembne prednosti, saj so poceni, nestrupeni in okolju prijazni, so grafenski sistemi na vodni osnovi zelo privlačni za proizvajalce grafena in industrijo, ki ga nadalje predeluje.
Za pridobivanje grafenskih nanoplošč, disperzibilnih v vodi, se ultrazvočno eksfoliirani grafen modificira s polisaharidi / biopolimeri, kot so pululan, hitozan, alginat, želatina ali arabski gumi.

Protokol neposredne eksfoliacije grafita z ultrazvokom

Neionski pululan in anionski alginat (1,0 g) so ločeno raztopili v 20 ml destilirane vode, kationski hitozan (0,4 g) pa so raztopili v 20 ml destilirane vode z 1 wt% ocetne kisline. Grafitni prah so dispergirali v vodnih raztopinah biopolimerov in obdelali z ultrazvočno napravo s sondo UP200S (največja moč 200 W, frekvenca 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Nemčija), opremljeno s titanovo sonotrodo (mikrokonica S3, premer konice 3 mm, največja amplituda 210µm, gostota akustične moči ali površinska intenziteta 460 W cm-2), pod naslednjimi pogoji: cikel 0,5 in amplituda 50%, v trajanju 10, 20, 30 oziroma 60 min. Najboljše rezultate so dosegli pri sonikaciji, ki je trajala 30min. Sonikacijo so izvajali z močjo 16,25 W 30 minut, pri čemer je poraba energije (oddana energija na enoto prostornine) znašala 731 Ws ml-1.
Nato so zmesi centrifugirali pri 1500 rpm 60 min, da bi odstranili neeksfoliirane grafitne delce, jih 5-krat sprali in ponovno centrifugirali pri 5000 rpm 20 min, da bi odstranili presežne biopolimere. Nastale temno sive raztopine so vakuumsko sušili pri 40ºC, dokler se masa ni več zmanjševala. Nastale praške polimer–grafen so za karakterizacijo ponovno dispergirali v vodi (1 mg ml-1 za pululan in hitozan; 0,18 mg ml-1 za alginat). Grafenske plošče, pridobljene z ultrazvočno obdelavo ob pomoči pululana, alginata in hitozana, so označili kot pull-G, alg-G oziroma chit-G.
Med tremi sistemi sta bila pululan in hitozan pri eksfoliaciji grafita učinkovitejša od alginata. S to metodo so pridobili eksfoliirane enoslojne, dvoslojne in večslojne grafenske plošče z majhnim številom slojev in le malo stranskimi (robnimi) napakami. Adsorpcija biopolimerov na površini grafena zagotavlja dolgotrajno stabilnost (več kot 6 mesecev) vodne disperzije.
(prim. Unalan et al. 2015)

Zaporedje posnetkov, zajetih z visoko hitrostjo (od a do f), ki prikazuje sonomehansko eksfoliacijo grafitne luske v vodi z uporabo UP200S, ultrazvočne naprave z močjo 200W in 3-mm sonotrodo. Puščice kažejo mesto razcepa (eksfoliacije), v katerega prodirajo kavitacijski mehurčki.
(študija in slike: © Tyurnina et al. 2020

Ultrazvočne naprave za eksfoliacijo grafena

Visokozmogljivi ultrazvočni procesorji Hielscher se po vsem svetu uporabljajo za uspešno eksfoliacijo in dispergiranje grafita in grafena. Naši ultrazvočni dispergatorji so na voljo od laboratorijskih in namiznih naprav do naprav za celovito industrijsko proizvodnjo. Poleg robustnosti, delovanja 24/7 in majhnih potreb po vzdrževanju ultrazvočne naprave Hielscher prepričajo z zelo preprosto obdelavo in možnostjo linearnega povečevanja merila procesa.
Procese je mogoče v laboratoriju preprosto preizkusiti in optimizirati. Nato je mogoče vse rezultate procesa povsem linearno prenesti na raven komercialne proizvodnje. Zato je sonikacija uspešna in učinkovita proizvodna metoda za velike količine visokokakovostnih grafenskih plošč.
Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno vzdrževati pri delovanju 24/7. Za še višje amplitude so na voljo ultrazvočne sonotrode po meri. Ustrezni ultrazvočni reaktorji zagotavljajo možnost zanesljive in varne množične proizvodnje visokokakovostnih grafenskih nanoplošč ter stabilnih disperzij nanoplošč.

Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav: