Grafenoxid – Exfoliering och dispergering med ultraljud

Ultraljudsexfoliering är en allmänt använd teknik för att framställa grafenoxid genom att bryta ned grafitoxid till tunna grafenark med ett eller ett fåtal skikt. Hielschers ultraljudsapparater skapar intensiv akustisk kavitation, där energitäta ultraljudsvågor genererar energirika mikrobubblor i ett flytande medium. Dessa kollapsande bubblor skapar skjuvkrafter som separerar grafitoxidskikten och effektivt exfolierar dem till nanoark av grafenoxid. Dra nytta av högpresterande ultraljud för att ta din grafenoxidbaserade tillämpning till nästa nivå!

Exfoliering av grafenoxid med ultraljud

Grafenoxid är vattenlöslig, amfifil, ogiftig och biologiskt nedbrytbar och kan enkelt dispergeras till stabila kolloider. Exfoliering och dispergering med ultraljud är en mycket effektiv, snabb och kostnadseffektiv metod för att syntetisera, dispergera och funktionalisera grafenoxid i industriell skala. Vid efterföljande bearbetning framställer ultraljudsdispergerare högpresterande grafenoxid–polymerkompositer.

Fördelar med ultraljudsexfoliering

Ultraljudsexfoliering erbjuder flera fördelar, däribland enkelhet, skalbarhet och miljövänlighet, eftersom den vanligtvis inte kräver aggressiva kemikalier eller komplex bearbetning. Dessutom möjliggör den exakt kontroll över storleken och tjockleken hos nanoark av grafenoxid, vilket är avgörande för att anpassa deras egenskaper i olika tillämpningar.

Videon visar blandning och dispergering av grafit i 250mL epoxiharts (Toolcraft L) med en ultraljudshomogenisator (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics tillverkar utrustning för att dispergera grafit, grafen, kolnanorör, nanotrådar eller fyllmedel i laboratoriet eller i produktionsprocesser med stora volymer. Typiska tillämpningar är dispergering av nano- och mikromaterial under funktionaliseringsprocessen eller i hartser och polymerer.

Protokoll: Exfoliering av grafenoxid med ultraljud

Exfolieringsmetoden spelar en nyckelroll för att kontrollera storleken på nanoark av grafenoxid (GO). Tack vare sina exakt reglerbara processparametrar är ultraljudsexfoliering den mest använda delamineringstekniken för framställning av grafen och grafenoxid av hög kvalitet.
Det finns olika protokoll för exfoliering av grafenoxid från grafitoxid med ultraljud. Nedan följer ett exempel på ett protokoll för exfoliering av grafenoxid med ultraljud:
Grafitoxidpulver blandas i en vattenlösning av KOH med pH-värdet 10. För exfolieringen och den efterföljande dispergeringen används ultraljudsapparaten UP200St (200W) av sondtyp. Därefter fästs K+-joner vid grafenets basalplan för att inducera en åldringsprocess. Åldringen genomförs under rotationsindunstning (2 h). För att avlägsna överskott av K+-joner tvättas och centrifugeras pulvret flera gånger.
Den erhållna blandningen centrifugeras och frystorkas så att ett dispergerbart grafenoxidpulver fälls ut.
Framställning av en elektriskt ledande grafenoxidpasta: Grafenoxidpulvret kan dispergeras i dimetylformamid (DMF) under ultraljudsbehandling för att framställa en elektriskt ledande pasta. (Han et al.2014)

Ultraljudsexfoliering används i stor utsträckning för att framställa nanoark av grafen och grafenoxid. Hielschers ultraljudssystem utmärker sig som en mycket effektiv, kostnadseffektiv och snabb teknik för syntes av grafen och används för stora slamflöden och massproduktion av grafen.
Bildkälla: 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.

Mekanismen bakom exfoliering av grafenoxid med ultraljud
(Bild: Potts et al. 2011)

Funktionalisering av grafenoxid med ultraljud

Ultraljudsbehandling används framgångsrikt för att införliva grafenoxid (GO) i polymerer och kompositer.
Exempel:

komposit av grafenoxid och TiO2-mikrosfärer
polystyren–magnetit–grafenoxidkomposit (med kärna–skal-struktur)
kompositer av polystyren och reducerad grafenoxid
kärna–skal-komposit av polystyren/grafenoxid belagd med polyanilinnanofibrer (PANI-PS/GO)
polystyreninterkalerad grafenoxid
grafenoxid modifierad med p-fenylendiamin-4vinylbenzen-polystyren

Tillämpningar för grafenoxid framställd genom ultraljudsexfoliering

Grafenoxid som framställs genom ultraljudsexfoliering har breda användningsområden inom många olika fält. Inom elektronik används den i flexibla elektriskt ledande filmer och sensorer; inom energilagring förbättrar den prestandan hos batterier och superkondensatorer. Grafenoxidens antibakteriella egenskaper gör den värdefull inom biomedicinska tillämpningar, medan dess stora ytarea och funktionella grupper är fördelaktiga inom katalys och miljösanering. Sammantaget underlättar ultraljudsexfoliering effektiv framställning av grafenoxid av hög kvalitet för användning i spetsteknik.

Lär er att framställa högkvalitativt enskiktsgrafen genom ultraljudsexfoliering med högeffektiva sondsonikatorer. Ultraljudsbehandling är en enkel, effektiv och skalbar metod för att framställa grafendispersioner med högt utbyte och utmärkt kvalitet på grafenarken.

Ultraljudsapparater för bearbetning av grafen och grafenoxid

Hielscher Ultrasonics erbjuder ultraljudssystem med hög effekt för exfoliering, dispergering och bearbetning av grafen och grafenoxid. Tillförlitliga ultraljudsprocessorer och avancerade reaktorer ger exakt kontroll, vilket gör det möjligt att anpassa ultraljudsprocesserna till önskade mål.
En avgörande parameter är ultraljudsamplituden, som bestämmer ultraljudssondens expansion och sammandragning under vibrationerna. Hielschers industriella ultraljudsapparater levererar höga amplituder, upp till 200µm, vid kontinuerlig drift dygnet runt, alla dagar i veckan (24/7). För ännu högre amplituder finns specialanpassade ultraljudssonder. Alla processorer kan anpassas exakt till processförhållandena och övervakas via inbyggd programvara, vilket säkerställer tillförlitlighet, jämn kvalitet och reproducerbara resultat.
Hielschers ultraljudsapparater är robusta och kan arbeta kontinuerligt i krävande miljöer, vilket gör ultraljudsbehandling till den föredragna produktionstekniken för storskalig framställning av grafen, grafenoxid och grafitiska material.
Ett brett produktsortiment av ultraljudsapparater och tillbehör, inklusive sonotroder och reaktorer med olika storlekar och geometrier, gör det möjligt att välja optimala reaktionsbetingelser och faktorer, såsom reagenser, tillförd ultraljudsenergi, tryck, temperatur och flödeshastighet, för att uppnå högsta kvalitet. Hielschers ultraljudsreaktorer kan till och med trycksättas upp till flera hundra barg, vilket möjliggör ultraljudsbehandling av högviskösa pastor med viskositeter över 250 000 centipoise.
Tack vare dessa faktorer överträffar delaminering och exfoliering med ultraljud konventionella tekniker.

Klicka här för att läsa mer om syntes, dispergering och funktionalisering av grafen med ultraljud:

Fakta värda att känna till

Ultraljud och kavitation: Hur exfolieras grafit till grafenoxid med ultraljudsbehandling?

Ultraljudsexfoliering av grafitoxid (GrO) bygger på den höga skjuvkraft som induceras av akustisk kavitation. Akustisk kavitation uppstår på grund av de växlande högtrycks- och lågtryckscykler som genereras genom inkoppling av kraftfulla ultraljudsvågor i en vätska. Under lågtryckscyklerna uppstår mycket små hålrum eller vakuumbubblor, som växer under de återkommande lågtryckscyklerna. När vakuumbubblorna når en storlek där de inte kan absorbera mer energi kollapsar de våldsamt under en högtryckscykel. Bubblornas implosion ger upphov till kavitationsrelaterade skjuvkrafter och spänningsvågor, extrema temperaturer på upp till 6000K, extrema kylningshastigheter över 10¹⁰K/s, mycket höga tryck på upp till 2000atm, extrema tryckskillnader samt vätskestrålar med hastigheter på upp till 1000km/h (∼280m/s).
Dessa intensiva krafter påverkar grafitstaplarna, som delamineras till grafenoxid med ett eller ett fåtal skikt och nanoark av rent grafen.

Vad är grafenoxid?

Grafenoxid (GO) syntetiseras genom exfoliering av grafitoxid (GrO). Medan grafitoxid är ett 3D-material som består av miljontals grafenskikt med interkalerat syre, är grafenoxid grafen med ett eller ett fåtal skikt som är syresatt på båda sidor.
Grafenoxid och grafen skiljer sig åt i följande egenskaper: grafenoxid är polär, medan grafen är opolärt. Grafenoxid är hydrofil, medan grafen är hydrofobt.
Detta innebär att grafenoxid är vattenlöslig, amfifil, ogiftig och biologiskt nedbrytbar och bildar stabila kolloidala suspensioner. Grafenoxidens yta innehåller epoxi-, hydroxyl- och karboxylgrupper som kan interagera med katjoner och anjoner. Tack vare sin unika organisk–oorganiska hybridstruktur och sina exceptionella egenskaper har GO–polymerkompositer stor potential för många olika industriella tillämpningar. (Tolasz et al. 2014)

Vad är reducerad grafenoxid?

Reducerad grafenoxid (rGO) framställs genom reduktion av grafenoxid med ultraljud, kemiska metoder eller värme. Under reduktionssteget avlägsnas de flesta syrehaltiga funktionella grupperna i grafenoxid, så att den resulterande reducerade grafenoxiden (rGO) har mycket liknande egenskaper som rent grafen. Reducerad grafenoxid (rGO) är dock inte defektfri och oförändrad på samma sätt som rent grafen.

Litteratur/referenser

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.