Графенске наноплочице синтетисане и дисперговане соникацијом помоћу сонде

Графенске наноплочице (GNPs) могу се синтетисати и дисперговати уз високу ефикасност и поузданост помоћу соникатора. Ултразвучна обрада високог интензитета примењује се за ексфолијацију графита и добијање графена са малим бројем слојева, који се често назива графенским наноплочицама. Соникација се такође истиче постизањем одличне расподеле графенских наноплочица како у суспензијама ниске вискозности тако и у суспензијама високе вискозности.

Обрада графенских наноплочица – врхунски резултати соникацијом

За обраду графенских наноплочица, соникатори са сондом су најефикаснији, најпоузданији и најједноставнији алат за употребу. Пошто се ултразвучна обрада може применити за синтезу, дисперговање и функционализацију графенских наноплочица, соникатори се користе у бројним применама повезаним са графеном:

• Ексфолијација и синтеза Соникатори са сондом користе се за ексфолијацију графита у графен са малим бројем слојева или графенске наноплочице. Ултразвучна обрада високог интензитета нарушава међуслојне силе и раздваја графит на мање, појединачне листове графена.
• Дисперговање: Постизање равномерне дисперзије графенских наноплочица у течној средини кључно је за све примене повезане са графеном. Соникатори са сондом могу равномерно дисперговати наноплочице у целокупној запремини течности, спречавајући агломерацију и обезбеђујући стабилну суспензију.
• Функционализација: Соникација олакшава функционализацију графенских наноплочица подстичући везивање функционалних група или молекула за њихове површине. Ова функционализација побољшава њихову компатибилност са одређеним полимерима или материјалима.

Синтеза графенских наноплочица соникацијом

Графенске наноплочице могу се синтетисати ексфолијацијом графита потпомогнутом ултразвуком. У ту сврху, суспензија графита подвргава се соникацији помоћу ултразвучног хомогенизатора са сондом. Овај поступак је испитан при концентрацијама чврсте фазе од веома ниских (нпр. 4wt% или мање) до високих (нпр. 10wt% или више).
 
Ghanem и Rehim (2018) извештавају о ултразвучној ексфолијацији графита у води уз помоћ натријум-додецилбензенсулфоната (SDS) ради припреме диспергованих графенских наноплочица. Употреба соникатора са сондом UP 100H омогућила је успешну припрему графена са малим бројем слојева (>5) без дефеката. Коришћен је следећи прекурсор: редуковани графенски нанолистови припремљени су Хамеровом методом и обрађени у два додатна корака, оксидацијом графита након које је уследила редукција графен-оксида. Тиме су дисперговане графенске наноплочице добијене у води методом дисперговања у растварачу (видети шему испод). Слојеви графита ексфолирани су соникацијом помоћу соникатора са сондом UP100H (100 W). У 150 mL дејонизоване воде растворено је 0,25 g SDS, а затим је додато 0,5 g графита. Раствор графита подвргнут је соникацији током 12h у леденом купатилу, а затим је суспензија центрифугирана при 686× g током 30 min ради уклањања крупних честица. Талог је одбачен, а супернатант је поново центрифугиран током 90 min при 12.600× g. Добијене дисперговане графенске наноплочице темељно су испране неколико пута ради уклањања површински активне материје. На крају, производ је осушен на 60ºC под вакуумом.

Снимци графенских нанолистова добијених
дисперговањем у воденој фази потпомогнутим ултразвуком и Хамеровом методом, начињени трансмисионим електронским микроскопом високе резолуције.
(Студија и графички приказ: Ghanem и Rehim, 2018)

Која је разлика између графенских листова и наноплочица?

Листови графена и наноплочице графена су наноматеријали састављени од графена, који представља један слој атома угљеника распоређених у хексагоналну решетку. Понекад се изрази листови графена и наноплочице графена користе као синоними. Међутим, са научног становишта, постоји неколико разлика између ових графенских наноматеријала: основна разлика између листова графена и наноплочица графена лежи у њиховој структури и дебљини. Листови графена састоје се од једног слоја атома угљеника и изузетно су танки, док су наноплочице графена дебље и састоје се од више наслаганих слојева графена. Ове структурне разлике могу утицати на њихова својства и погодност за одређене примене. Употреба соникатора са сондом представља веома делотворну и ефикасну технику за синтезу, дисперговање и функционализацију једнослојних листова графена, као и наноплочица графена састављених од неколико наслаганих слојева.

Графички приказ ултразвучне синтезе наноплочица графена помоћу соникатора UP100H
(Студија и графички приказ: Ghanem и Rehim, 2018)

Дисперговање наноплочица графена соникацијом

Равномерно дисперговање наноплочица графена (GNPs) кључно је у различитим применама јер непосредно утиче на својства и перформансе добијених материјала или производа. Због тога се у различитим индустријама инсталирају соникатори за припрему дисперзија наноплочица графена. Следеће индустрије представљају истакнуте примере примене ултразвука велике снаге:
 

• Нанокомпозити: Наноплочице графена могу се уградити у различите нанокомпозитне материјале, као што су полимери, ради побољшања њихових механичких, електричних и термичких својстава. Соникатори са сондом помажу у равномерном дисперговању наноплочица унутар полимерне матрице, што доводи до побољшаних перформанси материјала.
• Електроде и батерије: Наноплочице графена користе се у развоју електрода високих перформанси за батерије и суперкондензаторе. Соникација помаже у добијању добро диспергованих електродних материјала на бази графена са повећаном површином, што побољшава способност складиштења енергије.
• Катализа: Соникација се може користити за припрему каталитичких материјала на бази наноплочица графена. Равномерно дисперговање каталитичких наночестица на површини графена може побољшати каталитичку активност у различитим реакцијама.
• Сензори: Наноплочице графена могу се користити у изради сензора за различите примене, укључујући детекцију гасова, биодетекцију и праћење стања животне средине. Соникација обезбеђује хомогену расподелу наноплочица у сензорским материјалима, што доводи до побољшане осетљивости и перформанси.
• Превлаке и филмови: Соникатори са сондом користе се за припрему превлака и филмова на бази наноплочица графена за примену у електроници, ваздухопловству и свемирској техници, као и за заштитне превлаке. Равномерно дисперговање и одговарајуће приањање на подлоге кључни су за ове примене.
• Биомедицинске примене: У биомедицинским применама, наноплочице графена могу се користити за испоруку лекова, снимање и инжењерство ткива. Соникација помаже у припреми наночестица и композита на бази графена који се користе у овим применама.

SEM снимци наноплочица графена при увећањима (b) X3000 и (c) X8000
(Студија и снимци: ©Alizadeh и сар., 2018)

Научно потврђени резултати ултразвучног дисперговања наноплочица графена

Научници су у бројним истраживањима користили соникаторе Hielscher за синтезу и дисперговање графенских наноплочица и темељно испитивали ефекте ултразвучне обраде. У наставку можете пронаћи неколико примера успешног умешавања графенских наноплочица у различите смеше, као што су водене суспензије, епоксидне смоле или малтер.
 
Уобичајени поступак за поуздано, брзо и равномерно дисперговање графенских наноплочица је следећи:
Ради дисперговања, графенске наноплочице су сониковане у чистом ацетону помоћу ултразвучне мешалице Hielscher UP400S готово један сат како би се спречила агломерација графенских листова. Ацетон је потпуно уклоњен испаравањем. Затим су графенске наноплочице додате у количини од 1 wt % епоксидног система и сониковане у епоксидној смоли при 90W током 15 минута.
(уп. Cakir и сар., 2016)
 
Друго истраживање испитује побољшање својстава нанофлуида на бази јонских течности (јонанофлуида) додавањем графенских наноплочица. Ради постизања врхунског дисперговања, смеша графенских наноплочица, јонске течности и натријум-додецилбензенсулфоната хомогенизована је помоћу соникатора са сондом Hielscher UP200S током око 90 min.
(уп. Alizadeh и сар., 2018)

 
Tragazikis и сар. (2019) извештавају о ефикасном уграђивању графенских наноплочица у малтер. У ту сврху су водене суспензије графена припремљене додавањем наноплочица – у масама одређеним жељеним циљним садржајем у добијеним материјалима – у смеше обичне воде из водовода и пластификатора, уз накнадно магнетно мешање током 2 min. Суспензије су хомогенизоване ултразвуком током 90 min на собној температури, помоћу уређаја Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) опремљеног сонотродом од 22mm која је испоручивала енергију брзином од 4500 J/min при фреквенцији од 24 kHz. Ова конкретна комбинација брзине довођења енергије и трајања соникације утврђена је као оптимална након детаљног испитивања утицаја параметара ултразвучне обраде на квалитет суспензије.
(уп. Tragazikis и сар., 2019)
 
Zainal и сар. (2018) у свом истраживању наводе да одговарајућа техника дисперговања, као што је соникација, обезбеђује да наноматеријали попут графенских наноплочица могу побољшати својства материјала за испуну. Разлог је то што је дисперговање један од најважнијих фактора за производњу висококвалитетних нанокомпозита, као што је епоксидна маса за заливање.

Соникатори високих перформанси за обраду графенских наноплочица

Hielscher Ultrasonics је тржишни лидер у области ултразвучних уређаја високих перформанси за обраду наноматеријала. Соникатори са сондом Hielscher користе се широм света у лабораторијама и индустријским постројењима за различите примене, укључујући обраду графенских наноплочица.
Најсавременија технологија, немачка занатска и инжењерска стручност, као и дугогодишње техничко искуство чине Hielscher Ultrasonics вашим првим избором партнера за успешну примену ултразвука.

Пројектовање, производња и саветовање – квалитет произведен у Немачкој

Ултразвучни уређаји Hielscher добро су познати по највишим стандардима квалитета и дизајна. Робусност и једноставно руковање омогућавају несметану интеграцију наших ултразвучних уређаја у индустријска постројења. Ултразвучни уређаји Hielscher лако подносе тешке услове и захтевна радна окружења.

Hielscher Ultrasonics је компанија сертификована према ISO стандардима и посебну пажњу посвећује ултразвучним уређајима високих перформанси који се одликују најсавременијом технологијом и једноставношћу употребе. Наравно, ултразвучни уређаји Hielscher усаглашени су са CE захтевима и испуњавају захтеве UL, CSA и RoHs.

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: