Нанопластинки графену, синтезовані та дисперговані за допомогою зондового ультразвуку

Нанопластинки графену (GNP) можна синтезувати та диспергувати з високою ефективністю та надійністю за допомогою ультразвукових обробників. Інтенсивна ультразвукова обробка використовується для ексфоліації графіту та отримання багатошарового графену, який часто називають нанопластинками графену. Ультразвукова обробка також чудово підходить для досягнення відмінного розподілу нанопластинок графену в рідких середовищах як з низькою, так і з високою в’язкістю.

Обробка нанопластинок графену – Superior Results with Sonication

Для обробки нанопластинок графену зондові ультразвукові обробники є найбільш ефективним, надійним та простим у використанні інструментом. Оскільки ультразвукову обробку можна застосовувати для синтезу, диспергування та функціоналізації нанопластинок графену, ультразвукові обробники використовуються для численних застосувань, пов’язаних з графеном:

• Ексфоліація та синтез Зондові ультразвукові обробники використовуються для ексфоліації графіту у багатошаровий графен або нанопластинки графену. Інтенсивна ультразвукова обробка руйнує міжшарові сили та розбиває графіт на менші, окремі листи графену.
• Диспергування: Досягнення однорідного диспергування нанопластинок графену в рідкому середовищі є критично важливим для всіх застосувань, пов’язаних з графеном. Зондові ультразвукові обробники можуть рівномірно диспергувати нанопластинки по всьому об’єму рідини, запобігаючи агрегації та забезпечуючи стабільну суспензію.
• Функціоналізація: Ультразвукова обробка сприяє функціоналізації нанопластинок графену, стимулюючи приєднання функціональних груп або молекул до їхніх поверхонь. Така функціоналізація підвищує їхню сумісність зі специфічними полімерами або матеріалами.

Синтез нанопластинок графену за допомогою ультразвукової обробки

Нанопластинки графену можна синтезувати шляхом ультразвуково-асистованої ексфоліації графіту. Тому суспензію графіту обробляють ультразвуком за допомогою зондового ультразвукового гомогенізатора. Ця процедура була перевірена на концентраціях від дуже низьких (наприклад, 4wt% або нижче) до високих концентрацій твердих речовин (наприклад, 10wt% або вище).

Ghanem and Rehim (2018) повідомляють про ультразвукову ексфоліацію графіту у воді за допомогою додецилбензолсульфонату натрію (SDS) для підготовки диспергованих нанопластинок графену. Використання зондового ультразвукового обробника UP 100H дозволило успішно підготувати багатошаровий графен без дефектів (>5). Використовувався такий прекурсор: нанолисти відновленого графену були підготовлені методом Hummer та оброблені двома додатковими етапами, окисненням графіту з наступним відновленням оксиду графену. Таким чином, дисперговані нанопластинки графену були отримані у воді методом розчинного диспергування (див. схему нижче). Шари графіту були ексфольовані за допомогою ультразвукової обробки з використанням зондового ультразвукового обробника UP100H (100 W). 0,25 g SDS розчинили у 150 mL діонізованої води, а потім додали 0,5 g графіту. Розчин графіту обробляли ультразвуком протягом 12h у крижаній ванні, після чого суспензію центрифугували при 686× g протягом 30 min для видалення великих частинок. Осад відкинули, а надосадову рідину повторно центрифугували протягом 90 min при 12 600× g. Отримані дисперговані нанопластинки графену ретельно промили кілька разів, щоб позбутися ПАР. Нарешті, продукт висушили при 60ºC у вакуумі.

Зображення високоякісного трансмісійного електронного мікроскопа нанопластин графену, отримані
за допомогою ультразвуково-асистованого водного фазного диспергування та методу Hummer.
(Дослідження та графіка: Ghanem and Rehim, 2018)

Яка різниця між листами графену та нанопластинками?

Листи графену та нанопластинки графену – це обидва наноматеріали, що складаються з графену, який є одним шаром атомів вуглецю, розташованих у гексагональній ґратці. Іноді терміни «листи графену» та «нанопластинки графену» використовуються як взаємозамінні. Але з наукової точки зору між цими наноматеріалами на основі графену існує кілька відмінностей: Основна відмінність між листами графену та нанопластинками графену полягає в їхній структурі та товщині. Листи графену складаються з одного шару атомів вуглецю і є надзвичайно тонкими, тоді як нанопластинки графену є товстішими і складаються з кількох шарованих листів графену. Ці структурні відмінності можуть впливати на їхні властивості та придатність для конкретних застосувань. Використання ультразвукових гомогенізаторів зондового типу є високоефективною та продуктивною технікою для синтезу, диспергування та функціоналізації одношарових листів графену, а також нанопластинок графену з кількома шарованими листами.

Графічне зображення ультразвукового синтезу нанопластинок графену за допомогою гомогенізатора UP100H
(Дослідження та графіка: Ghanem and Rehim, 2018)

Диспергування нанопластинок графену за допомогою ультразвукової обробки

Однорідне диспергування нанопластинок графену (GNP) є критично важливим у різних застосуваннях, оскільки воно безпосередньо впливає на властивості та ефективність отриманих матеріалів або продуктів. Тому ультразвукові гомогенізатори встановлюються для дисперсій нанопластинок графену в різних галузях промисловості. Наступні галузі є яскравими прикладами використання потужного ультразвуку:

• Нанокомпозити: Нанопластинки графену можуть бути включені в різні нанокомпозитні матеріали, такі як полімери, для покращення їхніх механічних, електричних та термічних властивостей. Ультразвукові гомогенізатори зондового типу допомагають однорідно диспергувати нанопластинки в полімерній матриці, що призводить до покращення характеристик матеріалу.
• Електроди та акумулятори: Нанопластинки графену використовуються при розробці високопродуктивних електродів для акумуляторів та суперконденсаторів. Ультразвукова обробка допомагає створювати добре дисперговані електродні матеріали на основі графену зі збільшеною площею поверхні, що покращує можливості накопичення енергії.
• Каталіз: Ультразвукова обробка може використовуватися для приготування каталітичних матеріалів на основі нанопластинок графену. Однорідне диспергування каталітичних наночастинок на поверхні графену може підвищити каталітичну активність у різних реакціях.
• Сенсори: Нанопластинки графену можуть застосовуватися у виготовленні сенсорів для різних застосувань, включаючи газовий аналіз, біосенсорний аналіз та моніторинг навколишнього середовища. Ультразвукова обробка забезпечує гомогенний розподіл нанопластинок у матеріалах сенсорів, що призводить до покращення чутливості та ефективності.
• Покриття та плівки: Ультразвукові гомогенізатори зондового типу використовуються для приготування покриттів та плівок на основі нанопластинок графену для застосувань в електроніці, аерокосмічній промисловості та захисних покриттях. Однорідне диспергування та належна адгезія до субстратів є критично важливими для цих застосувань.
• Біомедичні застосування: У біомедичних застосуваннях нанопластинки графену можуть використовуватися для доставки ліків, візуалізації та тканевої інженерії. Ультразвукова обробка допомагає у приготуванні наночастинок та композитів на основі графену, що використовуються в цих застосуваннях.

Зображення нанопластинок графену за допомогою СЕМ при (b) X3000 та (c) X8000
(Дослідження та зображення: ©Alizadeh et al., 2018)

Науково доведені результати для ультразвукових дисперсій нанопластинок графену

Учені використовували ультразвукові обробники Hielscher для синтезу та диспергування графенових нанопластин у численних дослідженнях і ретельно перевіряли вплив ультразвукової обробки. Нижче наведено кілька прикладів успішного змішування графенових нанопластин у різні суміші, такі як водні суспензії, епоксидні смоли або розчин.

Загальна процедура для надійного, швидкого та однорідного диспергування графенових нанопластин є такою:
Для диспергування графенові нанопластини піддавали ультразвуковій обробці в чистому ацетоні, використовуючи ультразвуковий змішувач Hielscher UP400S протягом майже однієї години, щоб запобігти агрегації графенових листів. Ацетон повністю видаляли випаровуванням. Потім графенові нанопластини додавали в кількості 1 мас. % до епоксидної системи та піддавали ультразвуковій обробці в епоксидній смолі при 90W протягом 15 хвилин.
(див. Cakir et al., 2016)

Інше дослідження вивчає армування іонаножидкостей на основі іонних рідин (іононаножидкостей) шляхом додавання графенових нанопластин. Для кращого диспергування суміш графенових нанопластин, іонної рідини та додецилбензолсульфонату натрію гомогенізували, використовуючи ультразвуковий обробник Hielscher зондового типу UP200S протягом приблизно 90 хв.
(див. Alizadeh et al., 2018)

Tragazikis et al. (2019) повідомляють про ефективне включення графенових нанопластин у розчин. Тому водні суспензії графену були отримані шляхом додавання нанопластин – у кількостях, визначених бажаними цільовими вмістами у кінцевих матеріалах – до сумішей звичайної водопровідної води та пластифікатора з наступним магнітним перемішуванням протягом 2 хв. Суспензії гомогенізували ультразвуковою обробкою протягом 90 хв при кімнатній температурі, використовуючи пристрій Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH), оснащений 22mm-сонотродом, який забезпечує потужність 4500 J/min при частоті 24 kHz. Специфічна комбінація швидкості енергії та тривалості ультразвукової обробки була встановлена як оптимальна після ретельного дослідження впливу параметрів ультразвукової обробки на якість суспензії.
(див. Tragazikis et al., 2019)

Zainal et al. (2018) зазначають у своєму дослідженні, що належна техніка диспергування, така як ультразвукова обробка, гарантує, що наноматеріали, такі як графенові нанопластини, можуть покращити властивості наповнювальних матеріалів. Це пов’язано з тим, що диспергування є одним із найважливіших факторів для виробництва високоякісних нанокомпозитів, таких як епоксидний розчин.

Високоефективні ультразвукові обробники для обробки графенових нанопластин

Hielscher Ultrasonics є лідером ринку, коли мова йде про високоефективні ультразвукові обробники для обробки наноматеріалів. Ультразвукові обробники Hielscher зондового типу використовуються у всьому світі в лабораторіях та на промислових підприємствах для різних застосувань, включаючи обробку графенових нанопластин.
Передові технології, німецьке майстерність та інженерія, а також багаторічний технічний досвід роблять Hielscher Ultrasonics вашим бажаним партнером для успішного застосування ультразвуку.

Дизайн, виробництво та консалтинг – якість, зроблена в Німеччині

Ультразвукові гомогенізатори Hielscher відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації забезпечують легку інтеграцію наших ультразвукових гомогенізаторів у промислові об’єкти. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher легко витримують суворі умови та складне середовище.

Hielscher Ultrasonics – це компанія, сертифікована за стандартом ISO, яка приділяє особливу увагу високоефективним ультразвуковим гомогенізаторам, що мають передові технології та зручний інтерфейс користувача. Звісно, ультразвукові гомогенізатори Hielscher відповідають вимогам CE, UL, CSA та RoHs.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів: