Ultraljudsexfoliering av vattendispergerbart grafen

• Grafennanoark med ett eller två skikt kan framställas snabbt genom ultraljudsexfoliering med hög genomströmning och till låg kostnad.
• Ultraljudsexfolierat grafen kan funktionaliseras med biopolymerer för att erhålla vattendispergerbart grafen.
• Genom ultraljudskavitation kan det syntetiserade grafenet vidarebearbetas till en stabil vattenbaserad dispersion.

Ultraljudsexfoliering av högkvalitativt grafen

Ultraljudsbehandling är en tillförlitlig metod för att framställa grafenskikt (grafen med ett, två eller ett fåtal skikt) från grafitflagor eller grafitpartiklar. Medan andra vanliga exfolieringstekniker, såsom kul- och valskvarnar eller blandare med höga skjuvkrafter, förknippas med låg kvalitet och användning av aggressiva reagenser och lösningsmedel, utmärker sig ultraljudsexfoliering genom hög produktkvalitet, hög processkapacitet och skonsamma processförhållanden.
Ultraljudskavitation skapar intensiva skjuvkrafter som separerar de staplade grafitskikten till defektfritt grafen med ett, två eller ett fåtal skikt.

Vattendispergerbara grafenark genom ultraljudsbehandling

Ultraljudsbehandling är en effektiv metod med reproducerbara resultat för att lösgöra sammantrasslade kolnanorör i vatten eller organiska lösningsmedel.[/caption]Under normala förhållanden är grafen svårt att dispergera i vatten och bildar aggregat och agglomerat när det dispergeras i ett vattenbaserat medium. Eftersom vattenbaserade system har betydande fördelar genom att vara billiga, giftfria och miljövänliga är vattenbaserade grafensystem mycket attraktiva för grafentillverkare och industrin i efterföljande förädlingsled.
För att erhålla vattendispergerbara grafennanoark modifieras det ultraljudsexfolierade grafenet med polysackarider / biopolymerer såsom pullulan, kitosan, alginat, gelatin eller gummi arabicum.

Protokoll för direkt exfoliering av grafit med ultraljud

Nonjoniskt pullulan och anjoniskt alginat (1,0 g) löstes separat i 20 ml destillerat vatten, medan katjoniskt kitosan (0,4 g) löstes i 20 ml destillerat vatten med 1 viktprocent ättiksyra. Grafitpulver dispergerades i de vattenbaserade biopolymerlösningarna och behandlades med en ultraljudsapparat av sondtyp, UP200S (maximal effekt 200 W, frekvens 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Tyskland), utrustad med en sonotrod av titan (mikrospets S3, spetsdiameter 3 mm, maximal amplitud 210µm, akustisk effekttäthet eller ytintensitet 460 W cm-2) under följande förhållanden: 0,5 cykel och 50% amplitud under 10, 20, 30 respektive 60 min. Bäst resultat erhölls vid 30min ultraljudsbehandling. Ultraljudsbehandlingen utfördes med effekten 16,25 W under 30 minuter, med en energiförbrukning (avgiven energi per volymenhet) på 731 Ws ml-1.
Därefter centrifugerades blandningarna vid 1500 rpm i 60 min för att avlägsna oexfolierade grafitpartiklar och tvättades sedan 5 gånger och centrifugerades återigen vid 5000 rpm i 20 min för att avlägsna överskott av biopolymerer. De erhållna mörkgrå lösningarna vakuumtorkades vid 40ºC tills ingen massförlust längre skedde. De resulterande polymer–grafenpulvren återdispergerades i vatten (1 mg ml-1 för pullulan och kitosan; 0,18 mg ml-1 för alginat) för karakterisering. Grafenark som erhölls genom ultraljudsbehandling med hjälp av pullulan, alginat respektive kitosan betecknades pull-G, alg-G respektive chit-G.
Av de tre systemen var pullulan och kitosan effektivare för exfoliering av grafit än alginat. Denna metod gav exfolierade grafenark med ett, två eller ett fåtal skikt och endast en låg förekomst av laterala defekter (kantdefekter). Adsorptionen av biopolymerer på grafenytan ger den vattenbaserade dispersionen långvarig stabilitet (mer än 6 månader).
(jfr Unalan et al. 2015)

En höghastighetssekvens av bildrutor (från a till f) som visar sonomekanisk exfoliering av en grafitflaga i vatten med hjälp av UP200S, en ultraljudsapparat på 200W med en sonotrod på 3 mm. Pilarna visar platsen för delningen (exfolieringen), där kavitationsbubblor tränger in i sprickan.
(studie och bilder: © Tyurnina et al. 2020

Ultraljudsapparater för exfoliering av grafen

Hielschers ultraljudsprocessorer med hög effekt används över hela världen för framgångsrik exfoliering och dispergering av grafit och grafen. Våra ultraljudsdispergerare finns från laboratorie- och bänkmodeller upp till fullskaliga industriella produktionsenheter. Förutom robusthet, drift dygnet runt och lågt underhållsbehov utmärker sig Hielschers ultraljudsapparater genom enkel processhantering och linjär skalbarhet.
Processer kan enkelt testas och optimeras i laboratoriet. Därefter kan alla processresultat skalas upp helt linjärt till kommersiell produktionsnivå. Detta gör ultraljudsbehandling till en effektiv och resurseffektiv produktionsmetod för stora mängder högkvalitativa grafenark.
Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder. Anpassade ultraljudsreaktorer säkerställer möjligheten till tillförlitlig och säker massproduktion av högkvalitativa grafennanoark samt stabila dispersioner av nanoark.

Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt vid hög belastning och i krävande miljöer.
Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: