grafenoxid – Ultraljud exfoliering och dispersion
Ultraljudsexfoliering är en allmänt använd teknik för att producera grafenoxid genom att bryta ner grafitoxid till tunna, enkel- eller fåskiktiga grafenark. Hielscher sonikatorer skapar intensiv akustisk kavitation, där energitäta ultraljudsvågor genererar mikrobubblor med hög energi i ett flytande medium. Dessa kollapsande bubblor skapar skjuvkrafter som separerar grafitoxidskikt och effektivt exfolierar dem till nanoark av grafenoxid. Dra nytta av högpresterande ultraljud för att ta din grafenoxidbaserade applikation till nästa nivå!
Ultraljud exfoliering av grafenoxid
Grafenoxid är vattenlösligt, amfifilt, giftfritt, biologiskt nedbrytbart och kan lätt dispergeras till stabila kolloider. Ultraljud exfoliering och dispersion är en mycket effektiv, snabb och kostnadseffektiv metod för att syntetisera, dispergera och funktionalisera grafenoxid i industriell skala. Vid nedströmsbearbetning producerar ultraljudsdispergeringsapparater högpresterande grafenoxid-polymerkompositer.
Fördelar med ultraljudsexfoliering
Ultraljudsexfoliering erbjuder flera fördelar, inklusive enkelhet, skalbarhet och miljövänlighet, eftersom det vanligtvis inte kräver starka kemikalier eller komplex bearbetning. Dessutom möjliggör det exakt kontroll över storleken och tjockleken på nanoark av grafenoxid, vilket är avgörande för att justera deras egenskaper i olika applikationer.

Industriell sonikator UIP16000hdT för exfoliering av grafenoxid vid hög genomströmning
Protokoll: Ultraljud exfoliering av grafenoxid
För att kontrollera storleken på nanoark av grafenoxid (GO) spelar exfolieringsmetoden en nyckelfaktor. På grund av dess exakt kontrollerbara processparametrar är ultraljudsexfoliering den mest använda delamineringstekniken för produktion av högkvalitativ grafen och grafenoxid.
För ultraljudsexfoliering av grafenoxid från grafitoxid finns olika protokoll tillgängliga. Hitta ett exempel protokoll för ultraljud grafenoxid exfoliering nedan:
Grafitoxidpulver blandas i vattenhaltig KOH med pH-värdet 10. För exfoliering och efterföljande dispersion används ultraljudsapparaten UP200St (200W) av sondtyp. Därefter fästs K+-joner på grafenets basalplan för att inducera en åldringsprocess. Åldringen uppnås genom rotationsindunstning (2 timmar). För att avlägsna överflödiga K+ -joner tvättas och centrifugeras pulvret flera gånger.
Den erhållna blandningen centrifugeras och frystorkas så att ett dispergerbart grafenoxidpulver fälls ut.
Beredning av en ledande grafenoxidpasta: Grafenoxidpulvret kan dispergeras i dimetylformamid (DMF) under ultraljudsbehandling för att producera en ledande pasta. (Han et al.2014)
Ultraljudsfunktionalisering av grafenoxid
Ultraljudsbehandling används framgångsrikt för att införliva grafenoxid (GO) i polymerer och kompositer.
Exempel:
- grafenoxid-TiO2 mikrosfär komposit
- Komposit av polystyren-magnetit-grafenoxid (strukturerad med kärna–skal)
- polystyrenreducerade grafenoxidkompositer
- polyanilin nanofiberbelagd polystyren/grafenoxid (PANI-PS/GO) kärnskalkomposit
- polystyren-interkalerad grafenoxid
- P-fenylendiamin-4vinylbensen-polystyrenmodifierad grafenoxid

Ultraljud UP400St för framställning av dispersioner av grafennanoplättar
Tillämpningar av grafenoxid framställd genom ultraljudsexfoliering
Grafenoxid framställd via ultraljudsexfoliering har breda tillämpningar inom olika områden. Inom elektronik används den i flexibla ledande filmer och sensorer; Vid energilagring förbättrar det prestandan hos batterier och superkondensatorer. Grafenoxidens antibakteriella egenskaper gör den värdefull i biomedicinska tillämpningar, medan dess höga yta och funktionella grupper är fördelaktiga vid katalys och miljösanering. Sammantaget underlättar ultraljudsexfoliering effektiv produktion av högkvalitativ grafenoxid för användning i banbrytande teknologier.
Sonsonikatorer för bearbetning av grafen och grafenoxid
Hielscher Ultrasonics erbjuder ultraljudssystem med hög effekt för exfoliering, dispergering och bearbetning av grafen och grafenoxid. Pålitliga ultraljudsprocessorer och sofistikerade reaktorer ger exakt kontroll, vilket gör det möjligt att justera ultraljudsprocesser till önskade mål.
En avgörande parameter är ultraljudsamplituden, som bestämmer den vibrationella expansionen och sammandragningen av ultraljudssonden. Hielscher industriella ultraljudsapparater levererar höga amplituder, upp till 200 μm, kontinuerligt körd i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonder tillgängliga. Alla processorer kan justeras exakt efter processförhållandena och övervakas via inbyggd programvara, vilket säkerställer tillförlitlighet, jämn kvalitet och reproducerbara resultat.
Hielscher sonikatorer är robusta och kan fungera kontinuerligt i tunga miljöer, vilket gör ultraljudsbehandling till den föredragna produktionstekniken för storskalig grafen, grafenoxid och grafitisk materialberedning.
Ett brett produktsortiment av ultraljudsapparater och tillbehör, inklusive sonotroder och reaktorer med olika storlekar och geometrier, gör det möjligt att välja optimala reaktionsförhållanden och faktorer, såsom reagenser, ultraljudsenergitillförsel, tryck, temperatur och flödeshastighet, för att uppnå högsta kvalitet. Hielschers ultraljudsreaktorer kan till och med trycksätta upp till flera hundra barg, vilket möjliggör ultraljudsbehandling av mycket viskösa pastor med viskositeter som överstiger 250 000 centipoise.
Ultraljuddelaminering och exfoliering utmärker konventionella tekniker på grund av dessa faktorer.
- Hög effekt
- Höga skjuvkrafter
- Tillämpliga med höga tryck
- Exakt kontroll
- Sömlös skalbarhet (linjär)
- Batch och kontinuerlig
- Reproducerbara resultat
- tillförlitlighet
- robusthet
- Hög energieffektivitet

Ultraljudssystem för exfoliering av grafenoxid
För att lära dig mer om ultraljudsgrafensyntes, dispersion och funktionalisering, klicka här:
- Produktion av grafen
- Nanoplättar av grafen
- Vattenbaserad grafen exfoliering
- Vattendispergerbar grafen
- grafenoxid
- xener xener
Fakta som är värda att veta
Ultraljud och kavitation: Hur exfolieras grafit till grafenoxid med hjälp av ultraljudsbehandling?
Ultraljudsexfoliering av grafitoxid (GrO) är baserad på den höga skjuvkraften som induceras av akustisk kavitation. Akustisk kavitation uppstår på grund av de växlande högtrycks- / lågtryckscyklerna, som genereras genom koppling av kraftfulla ultraljudsvågor i en vätska. Under lågtryckscyklerna uppstår mycket små hålrum eller vakuumbubblor, som växer under de växlande lågtryckscyklerna. När vakuumbubblorna uppnår en storlek där de inte kan absorbera mer energi, kollapsar de våldsamt under en högtryckscykel. Bubbelimplosionen resulterar i kavitationella 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 upp till 1000km/h (∼280m/s).
Dessa intensiva krafter påverkar grafitstackarna, som delaminas till enkel- eller fålagers grafenoxid och orörda nanoark av grafen.
Vad är grafenoxid?
Grafenoxid (GO) syntetiseras genom exfoliering av grafitoxid (GrO). Medan grafitoxid är ett 3D-material som består av miljontals lager av grafenskikt med interkalerade syren, är grafenoxid ett mono- eller fåskiktsgrafen som är syresatt på båda sidor.
Grafenoxid och grafen skiljer sig från varandra i följande egenskaper: grafenoxid är polär, medan grafen är icke-polär. Grafenoxid är hydrofilt, medan grafen är hydrofob.
Detta innebär att grafenoxid är vattenlösligt, amfifilt, giftfritt, biologiskt nedbrytbart och bildar stabila kolloidala suspensioner. Ytan av grafenoxid innehåller epoxi-, hydroxyl- och karboxylgrupper, som är tillgängliga för att interagera med katjoner och anjoner. På grund av sin unika organiska-oorganiska hybridstruktur och exceptionella egenskaper erbjuder GO-polymerkompositer hög potential för många industriella tillämpningar. (Tolasz et al. 2014)
Vad är reducerad grafenoxid?
Reducerad grafenoxid (rGO) produceras genom ultraljud, kemisk eller termisk reduktion av grafenoxid. Under reduktionssteget avlägsnas de flesta syrefunktionerna hos grafenoxid så att den resulterande reducerade grafenoxiden (rGO) har mycket liknande egenskaper som orörd grafen. Reducerad grafenoxid (rGO) är dock inte lika defektfri och orörd som ren 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.