Ultraljudsexfoliering av vattendispergerbar grafen

• Mono- och tvålagers grafennanoark kan produceras snabbt via ultraljudsexfoliering med hög genomströmning och till låg kostnad.
• Ultraljudsexfolierad grafen kan funktionaliseras med biopolymerer för att erhålla vattendispergerbar grafen.
• Genom ultraljudskavitation kan det syntetiserade grafenet bearbetas vidare till en stabil vattenbaserad dispersion.

Ultraljudsexfoliering av högkvalitativ grafen

Ultraljud är en pålitlig metod för att producera grafenskikt (mono-, bi- och fåskiktsgrafen) från grafitflingor eller partiklar. Medan andra vanliga exfolieringstekniker som kul- och valskvarnar eller blandare med hög skjuvning är kopplade till låg kvalitet och användning av aggressiva reagenser och lösningsmedel, övertygar ultraljudsexfolieringsmetoden med sin höga kvalitet, höga processkapacitet och milda bearbetningsförhållanden.
Ultraljudskavitation skapar intensiva skjuvkrafter, som separerar de staplade grafitskikten i mono-, bi- och få-lager av defektfri grafen.

Vattendispergerbara grafenark via ultraljudsbehandling

Ultraljud är en effektiv procedur med repeterbara resultat för att reda ut carbonnanorör i vatten eller organiska lösningsmedel. [/caption] Under normala förhållanden är grafen knappast dispergerbart i vatten och bildar aggregat och agglomerat när det dispergeras i vattenhaltigt medium. Eftersom vattenhaltiga system har betydande fördelar av att vara billiga, giftfria, miljövänliga, är vattenbaserade grafensystem mycket attraktiva för grafentillverkare och nedströmsindustrin.
För att erhålla vattendispergerbara grafennanoark modifieras det ultraljudsexfolierade grafenet med polysackarider/biopolymerer som pullulan, kitosan, alginat, gelatin eller gummi arabicum.

Protokoll för direkt exfoliering av grafit med hjälp av ultraljud

Nonjonisk pullulan och anjonalginat (1,0 g) löstes separat i 20 ml destillerat vatten, medan katjonisk kitosan (0,4 g) löstes i 20 ml destillerat vatten med 1 viktprocent ättiksyra. Grafitpulver dispergerades i de vattenhaltiga biopolymerlösningarna och behandlades med hjälp av en ultraljudsapparat av sondtyp UP200S (maximal effekt 200 W, frekvens 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Tyskland) utrustad med en titansonotrode (mikrospets S3, spetsdiameter 3 mm, maximal amplitud 210 μm, akustisk effekttäthet eller ytintensitet 460 W cm-2) under följande förhållanden: 0,5 cykel och 50 % amplitud, under en period på 10, 20, 30 respektive 60 minuter. Bästa resultat erhölls vid 30 min ultraljudsbehandling. Ultraljudsbehandling tillämpades med en effekt av 16,25 W i 30 minuter, med energiförbrukning (energiproduktion per volymenhet) på 731 Ws ml-1.
Därefter centrifugerades blandningar vid 1500 rpm i 60 minuter för att avlägsna oexfolierade grafitpartiklar och tvättades sedan 5 gånger och centrifugerades igen vid 5000 rpm i 20 minuter för att avlägsna överskott av biopolymerer. De resulterande mörkgrå lösningarna vakuumtorkades vid 40 °C tills ingen massa gick förlorad. De resulterande polymer-grafenpulvren disperpergerades i vatten (1 mg ml-1 för pullulan och kitosan; 0,18 mg ml-1 för alginat) för karakterisering. Grafenark erhållna genom pullulan-, alginat- och kitosanassisterad ultraljudsbehandling indikerades som pull-G, alg-G respektive chit-G.
Av de tre systemen var pullulan och kitosan mer effektiva vid exfoliering av grafit än alginat. Denna metod gav exfolierade mono-, bi- och fåskiktsgrafenskikt med endast låga laterala (kanter) defekter. Adsorptionen av biopolymerer på grafenytan ger en långvarig stabilitet (mer än 6 månader) av den vattenhaltiga dispersionen.
(jfr Unalan et al. 2015)

En höghastighetssekvens (från a till f) av ramar som illustrerar sono-mekanisk exfoliering av en grafitflaga i vatten med hjälp av UP200S, en 200W ultraljudsapparat med 3 mm sonotrode. Pilar visar platsen för delning (exfoliering) med kavitationsbubblor som tränger in i delningen.
(studie och bilder: © Tyurnina et al. 2020

Ultraljudsapparater för grafen exfoliering

Hielscher högeffekts ultraljudsprocessorer används över hela världen för framgångsrik exfoliering och dispersion av grafit och grafen. Våra ultraljudsdispergänger finns tillgängliga från labb och bänkskiva upp till hela industriella produktionsenheter. Förutom robusthet, 24/7 drift och lågt underhåll, övertygar Hielscher ultraljudsapparater med hög enkel bearbetning och linjär skalbarhet.
Processer kan enkelt testas och optimeras i labbet. Efteråt kan alla processresultat skalas helt linjärt till kommersiell produktionsnivå. Detta gör ultraljudsbehandling till en effektiv och effektiv produktionsmetod för den stora volymen av högkvalitativa grafenark.
Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Matchande ultraljudsreaktorer säkerställer förmågan till tillförlitlig och säker massproduktion av högkvalitativa grafennanoark samt stabila nanoarkdispersioner.

Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: