Oksidi i grafenit – Eksfolimi dhe dispersimi me ultratinguj

Eksfolimi me ultratinguj është një teknikë e përdorur gjerësisht për të prodhuar oksid grafeni duke zbërthyer oksidin e grafitit në fletë të holla grafeni me një ose pak shtresa. Sonikatorët Hielscher krijojnë kavitacion akustik intensiv, ku valët ultrasonike me dendësi të lartë energjie gjenerojnë mikroflluska me energji të lartë në një mjedis të lëngshëm. Këto flluska, gjatë kolapsit, krijojnë forca prerëse që ndajnë shtresat e oksidit të grafitit, duke i eksfoliuar në mënyrë efektive në nanofletë oksidi grafeni. Përfitoni nga teknologjia ultrasonike me performancë të lartë për ta çuar aplikimin tuaj të bazuar në oksidin e grafenit në një nivel më të lartë!

Eksfolimi i oksidit të grafenit me ultratinguj

Oksidi i grafenit është i tretshëm në ujë, amfifilik, jotoksik, i biodegradueshëm dhe mund të dispergohet lehtësisht në koloide të qëndrueshme. Eksfolimi dhe dispersimi me ultratinguj është një metodë shumë efikase, e shpejtë dhe me kosto efektive për të sintetizuar, disperguar dhe funksionalizuar oksidin e grafenit në shkallë industriale. Në përpunimin e mëtejshëm, dispersuesit ultrasonikë prodhojnë kompozite oksid grafeni–polimer me performancë të lartë.

Përparësitë e eksfolimit me ultratinguj

Eksfolimi me ultratinguj ofron disa përparësi, përfshirë thjeshtësinë, mundësinë e rritjes së shkallës së prodhimit dhe ndikimin e ulët në mjedis, pasi zakonisht nuk kërkon kimikate agresive ose përpunim kompleks. Për më tepër, ai mundëson kontroll të saktë mbi përmasat dhe trashësinë e nanofletëve të oksidit të grafenit, gjë që është thelbësore për përshtatjen e vetive të tyre në aplikime të ndryshme.

Videoja tregon përzierjen dhe dispergimin ultrasonik të grafitit në 250mL rrëshirë epokside (Toolcraft L), duke përdorur një homogjenizues ultrasonik (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics prodhon pajisje për dispergimin e grafitit, grafenit, nanotubave të karbonit, nanotelave ose mbushësve në laborator ose në procese prodhimi në vëllim të madh. Zbatimet tipike përfshijnë dispergimin e nanomaterialeve dhe mikromaterialeve gjatë procesit të funksionalizimit ose dispergimin e tyre në rrëshira apo polimere.

Protokolli: Eksfolimi i oksidit të grafenit me ultratinguj

Për të kontrolluar përmasat e nanofletëve të oksidit të grafenit (GO), metoda e eksfolimit luan një rol kyç. Falë parametrave të procesit që mund të kontrollohen me saktësi, eksfolimi me ultratinguj është teknika më e përdorur e delaminimit për prodhimin e grafenit dhe të oksidit të grafenit me cilësi të lartë.
Për eksfolimin me ultratinguj të oksidit të grafenit nga oksidi i grafitit janë të disponueshme protokolle të ndryshme. Më poshtë jepet një shembull protokolli për eksfolimin e oksidit të grafenit me ultratinguj:
Pluhuri i oksidit të grafitit përzihet në tretësirë ujore KOH me vlerë pH 10. Për eksfolimin dhe dispersimin pasues përdoret ultrasonikatori me sondë UP200St (200W). Më pas, jonet K+ lidhen me rrafshin bazal të grafenit për të nxitur një proces vjetrimi. Vjetrimi kryhet nëpërmjet avullimit rrotullues (2 h). Për të larguar jonet e tepërta K+, pluhuri lahet dhe centrifugohet disa herë.
Përzierja e përftuar centrifugohet dhe liofilizohet, në mënyrë që të precipitojë një pluhur oksidi grafeni i dispersueshëm.
Përgatitja e një paste përçuese të oksidit të grafenit: Pluhuri i oksidit të grafenit mund të dispergohet në dimetilformamid (DMF) gjatë sonikimit për të prodhuar një pastë përçuese. (Han et al.2014)

Eksfolimi me ultratinguj përdoret gjerësisht për të prodhuar nanofletë grafeni dhe oksid grafeni. Sistemet ultrasonike Hielscher shquhen si një teknikë shumë efikase, me kosto efektive dhe e shpejtë për sintezën e grafenit; ato përdoren për rrjedha të mëdha suspensioni dhe për prodhimin masiv të grafenit.
Burimi i figurës: Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Nanokompozite polimerike të bazuara në grafen. Polymer Vol. 52, Nr. 1, 2011. 5–25.

Mekanizmi i eksfolimit të oksidit të grafenit me ultratinguj
(Fig.: Potts et al. 2011)

Funksionalizimi i oksidit të grafenit me ultratinguj

Sonikimi përdoret me sukses për të përfshirë oksidin e grafenit (GO) në polimere dhe kompozite.
Shembuj:

kompozit mikrosferash oksid grafeni–TiO2
kompozit polistiren–magnetit–oksid grafeni (me strukturë bërthamë–mbështjellës)
kompozite polistireni me oksid grafeni të reduktuar
kompozit bërthamë–mbështjellës prej polistireni/oksidi grafeni (PANI-PS/GO), i veshur me nanofibra polianiline
oksid grafeni me polistiren të ndërfutur ndërmjet shtresave
oksid grafeni i modifikuar me p-fenilendiaminë-4vinylbenzen-polistiren

Aplikimet e oksidit të grafenit të prodhuar me eksfolim me ultratinguj

Oksidi i grafenit i prodhuar nëpërmjet eksfolimit me ultratinguj ka aplikime të gjera në fusha të ndryshme. Në elektronikë, ai përdoret në filma përçues fleksibël dhe sensorë; në ruajtjen e energjisë, ai përmirëson performancën e baterive dhe superkondensatorëve. Vetitë antibakteriale të oksidit të grafenit e bëjnë atë të vlefshëm për aplikime biomjekësore, ndërsa sipërfaqja e tij e madhe dhe grupet funksionale ofrojnë përparësi në katalizë dhe në rehabilitimin e mjedisit. Në përgjithësi, eksfolimi me ultratinguj lehtëson prodhimin efikas të oksidit të grafenit me cilësi të lartë për përdorim në teknologji të përparuara.

Mësoni si të prodhoni grafen njështresor me cilësi të lartë përmes eksfolimit me ultratinguj, duke përdorur sonikatorë me sondë me fuqi të lartë. Sonikimi është një metodë e thjeshtë, efikase dhe e përshtatshme për rritjen e shkallës së prodhimit të dispersioneve të grafenit, me rendimente të larta dhe cilësi të shkëlqyer të fletëzave.

Sonikatorë për përpunimin e grafenit dhe të oksidit të grafenit

Hielscher Ultrasonics ofron sisteme ultrasonike me fuqi të lartë për eksfolimin, dispersimin dhe përpunimin e grafenit dhe të oksidit të grafenit. Procesorët ultrasonikë të besueshëm dhe reaktorët e sofistikuar sigurojnë kontroll të saktë, duke mundësuar përshtatjen e proceseve ultrasonike me objektivat e dëshiruar.
Një parametër thelbësor është amplituda ultrasonike, e cila përcakton zgjerimin dhe tkurrjen vibruese të sondës ultrasonike. Ultrasonikatorët industrialë Hielscher sigurojnë amplituda të larta, deri në 200µm, duke punuar vazhdimisht në regjim 24/7. Për amplituda edhe më të larta, janë të disponueshme sonda ultrasonike të personalizuara. Të gjithë procesorët mund të përshtaten me saktësi me kushtet e procesit dhe të monitorohen përmes softuerit të integruar, duke siguruar besueshmëri, cilësi të njëtrajtshme dhe rezultate të riprodhueshme.
Sonikatorët Hielscher janë të qëndrueshëm dhe mund të punojnë vazhdimisht në kushte të rënda pune, duke e bërë sonikimin teknologjinë e preferuar të prodhimit për përgatitjen në shkallë të gjerë të grafenit, oksidit të grafenit dhe materialeve grafitike.
Një gamë e gjerë ultrasonikatorësh dhe aksesorësh, përfshirë sonotroda dhe reaktorë me përmasa dhe gjeometri të ndryshme, mundëson përzgjedhjen e kushteve dhe faktorëve optimalë të reaksionit, si reagentët, energjia ultrasonike e futur, presioni, temperatura dhe prurja, për të arritur cilësinë më të lartë. Reaktorët ultrasonikë Hielscher mund të arrijnë madje presione deri në disa qindra barg, duke mundësuar sonikimin e pastave shumë viskoze me viskozitete që tejkalojnë 250 000 centipuazë.
Falë këtyre faktorëve, delaminimi dhe eksfolimi me ultratinguj i tejkalojnë teknikat konvencionale.

Për të mësuar më shumë rreth sintezës, dispersimit dhe funksionalizimit të grafenit me ultratinguj, klikoni këtu:

Fakte që ia vlen të njihen

Ultratingujt dhe kavitacioni: Si eksfoliohet grafiti në oksid grafeni përmes sonikimit?

Eksfolimi i oksidit të grafitit (GrO) me ultratinguj bazohet në forcën e lartë prerëse të shkaktuar nga kavitacioni akustik. Kavitacioni akustik lind për shkak të cikleve të alternuara me presion të lartë / presion të ulët, të cilat gjenerohen nga transmetimi i energjisë së valëve të fuqishme ultrasonike në një lëng. Gjatë cikleve me presion të ulët krijohen zgavra shumë të vogla ose flluska vakumi, të cilat rriten gjatë cikleve të alternuara me presion të ulët. Kur flluskat e vakumit arrijnë një madhësi në të cilën nuk mund të përthithin më energji, ato pësojnë kolaps të dhunshëm gjatë një cikli me presion të lartë. Implozioni i flluskave shkakton forca prerëse kavitacionale dhe valë sforcimi, temperaturë ekstreme deri në 6000K, shpejtësi ekstreme ftohjeje mbi 10¹⁰K/s, presione shumë të larta deri në 2000atm, diferenca ekstreme presioni, si dhe rryma të vrullshme lëngu me shpejtësi deri në 1000km/h (∼280m/s).
Këto forca intensive veprojnë mbi grumbujt e shtresave të grafitit, të cilët delaminohen në oksid grafeni me një ose pak shtresa dhe në nanofletë grafeni të paprekur.

Çfarë është oksidi i grafenit?

Oksidi i grafenit (GO) sintetizohet duke eksfoliuar oksidin e grafitit (GrO). Ndërsa oksidi i grafitit është një material 3D që përbëhet nga miliona shtresa grafeni me atome oksigjeni të ndërfutura ndërmjet tyre, oksidi i grafenit është grafen me një ose pak shtresa, i oksigjenuar në të dyja anët.
Oksidi i grafenit dhe grafeni ndryshojnë nga njëri-tjetri në karakteristikat e mëposhtme: oksidi i grafenit është polar, ndërsa grafeni është jopolar. Oksidi i grafenit është hidrofil, ndërsa grafeni është hidrofob.
Kjo do të thotë se oksidi i grafenit është i tretshëm në ujë, amfifilik, jotoksik, i biodegradueshëm dhe formon suspensione koloidale të qëndrueshme. Sipërfaqja e oksidit të grafenit përmban grupe epokside, hidroksile dhe karboksile, të cilat mund të bashkëveprojnë me katione dhe anione. Falë strukturës së tyre unike hibride organike–inorganike dhe vetive të jashtëzakonshme, kompozitet GO–polimer ofrojnë potencial të lartë për aplikime të shumta industriale. (Tolasz et al. 2014)

Çfarë është oksidi i grafenit i reduktuar?

Oksidi i grafenit i reduktuar (rGO) prodhohet përmes reduktimit ultrasonik, kimik ose termik të oksidit të grafenit. Gjatë hapit të reduktimit, shumica e grupeve funksionale që përmbajnë oksigjen të oksidit të grafenit largohen, kështu që oksidi i grafenit i reduktuar (rGO) që përftohet ka karakteristika shumë të ngjashme me ato të grafenit të paprekur. Megjithatë, oksidi i grafenit i reduktuar (rGO) nuk është pa defekte dhe i paprekur si grafeni i pastër.

Literatura/Referencat

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.