Графенові нанопластинки, синтезовані та дисперговані за допомогою зондового соніка

Графенові нанопластинки (ГНП) можуть бути синтезовані та дисперговані з високою ефективністю та надійністю за допомогою звукових апаратів. Високоінтенсивний ультразвук використовується для відлущування графіту та отримання малошарового графену, який часто називають графеновими нанопластинками. Ультразвук також чудово досягає чудового розподілу графенових нанопластин як у низьких, так і високов'язких суспензіях.

Обробка графенових нанопластин – Неперевершені результати завдяки ультразвуку

Для обробки графенових нанопластин ультразвукові апарати зондового типу є найбільш ефективним, надійним і простим у використанні інструментом. Оскільки ультразвук можна застосовувати для синтезу, диспергування та функціоналізації графенових нанопластин, ультразвукові апарати використовуються для численних застосувань, пов'язаних з графеном:

• Відлущування та синтез Ультразвукові апарати зондового типу використовуються для відлущування графіту в кілька шарів графену або графенових нанопластин. Ультразвук високої інтенсивності порушує міжшарові сили та розбиває графіт на менші окремі листи графену.
• Дисперсії: Досягнення рівномірної дисперсії графенових нанопластинок у рідкому середовищі має вирішальне значення для всіх застосувань, пов'язаних з графеном. Ультразвукові апарати зондового типу можуть рівномірно розподіляти нанопластини по всій рідині, запобігаючи агломерації та забезпечуючи стабільну суспензію.
• Функціоналізація: Ультразвук сприяє функціоналізації графенових нанопластин, сприяючи прикріпленню функціональних груп або молекул до їх поверхні. Така функціоналізація підвищує їх сумісність з конкретними полімерами або матеріалами.

Синтез графенових нанопластин за допомогою ультразвуку

Графенові нанопластини можуть бути синтезовані шляхом відлущування графіту за допомогою ультразвуку. Тому графітову суспензію проводять ультразвукову обробку за допомогою ультразвукового гомогенізатора зондового типу. Ця процедура була протестована з дуже низькими (наприклад, 4wt% або нижче) до високими концентраціями твердих речовин (наприклад, 10wt% або вище).
 
Ghanem and Rehim (2018) report the ultrasonic exfoliation of graphite in water with the aid of sodium dodecyl benzene sulfonate (SDS) in order to prepare dispersed graphene nanoplatelets using a the probe-type sonicator UP 100H allowed for the successful preparation of defect-free few-layer graphene (>5). The following precursor was used: reduced graphene nanosheets were prepared via Hummer method and treated with two additional steps, oxidation of graphite followed by reduction of graphene oxide. Thereby, dispersed graphene nanoplatelets were obtained in water via solvent dispersion method (see scheme below). Graphite layers were exfoliated with sonication using the probe-type sonicator UP100H (100 W). 0.25 g SDS was dissolved in 150 mL deionized water and then 0.5 g of graphite was added. The graphite solution was sonicated for 12h in an ice bath and then the suspension solution was centrifuged at 686× g for 30 min to remove the large particles. The precipitate was discarded and supernatant was re-centrifuged for 90 min at 12,600× g. The obtained dispersed graphene nanoplatelets were washed well several times to get rid of the surfactant. Finally, the product was dried at 60ºC under vacuum.

Отримані зображення графенових нанолистів під високою роздільною здатністюза допомогою ультразвукової дисперсії водних фаз та методу Хаммера.(Етюд і графіка: Ганем і Рехім, 2018)

Яка різниця між графеновими листами та нанопластинками?

Графенові листи та графенові нанопластини – це наноматеріали, що складаються з графену, який є одним шаром атомів вуглецю, розташованих у гексагональній решітці. Іноді як взаємозамінні терміни використовуються графенові листи та графенові нанопластини. Але з наукової точки зору між цими графеновими наноматеріалами є кілька відмінностей: Основна відмінність між графеновими листами та графеновими нанопластинами полягає в їхній структурі та товщині. Графенові листи складаються з одного шару атомів вуглецю і надзвичайно тонкі, тоді як графенові нанопластини товщі та складаються з кількох шарів графену. Ці структурні відмінності можуть вплинути на їх властивості та придатність для конкретних застосувань. Використання соніків зондового типу є високоефективною та ефективною технікою для синтезу, диспергування та функціоналізації одношарових графенових листів, а також багатошарових багатошарових графенових нанопластинок.

Графічна візуалізація ультразвукового синтезу графенових нанопластинок за допомогою ультразвукового апарату UP100H(Етюд і графіка: Ганем і Рехім, 2018)

Диспергування графенових нанопластинок за допомогою ультразвуку

Рівномірна дисперсія графенових нанопластинок (GNP) має вирішальне значення в різних застосуваннях, оскільки вона безпосередньо впливає на властивості та продуктивність отриманих матеріалів або продуктів. Тому для дисперсій нанопластин графену встановлюють магнітоносні апарати в різних галузях промисловості. Яскравими прикладами використання електрозвуку є такі галузі:
 

• Нанокомпозити: Графенові нанопластинки можуть бути включені в різні нанокомпозитні матеріали, такі як полімери, для покращення їх механічних, електричних і термічних властивостей. Ультразвукові апарати зондового типу допомагають рівномірно розподіляти нанопластини в полімерній матриці, що призводить до покращення характеристик матеріалу.
• Електроди та акумулятори: Графенові нанопластинки використовуються при розробці високопродуктивних електродів для акумуляторів і суперконденсаторів. Ультразвук допомагає створювати добре дисперсні електродні матеріали на основі графену зі збільшеною площею поверхні, що покращує можливості зберігання енергії.
• Каталіз: Ультразвук може бути використаний для приготування каталітичних матеріалів на основі графенових нанопластинок. Рівномірне розсіювання каталітичних наночастинок на поверхні графену може посилити каталітичну активність у різних реакціях.
• Датчики: Графенові нанопластини можуть бути використані у виробництві датчиків для різних застосувань, включаючи зондування газу, біозондування та моніторинг навколишнього середовища. Ультразвуковий звук забезпечує рівномірний розподіл нанопластин у матеріалах датчиків, що призводить до покращення чутливості та продуктивності.
• Покриття та плівки: Ультразвукові апарати зондового типу використовуються для приготування покриттів і плівок на основі графенових нанопластин для застосування в електроніці, аерокосмічній галузі та захисних покриттях. Рівномірне розсіювання та належна адгезія до основ мають вирішальне значення для цих застосувань.
• Біомедичне застосування: У біомедичних додатках графенові нанопластини можуть використовуватися для доставки ліків, візуалізації та тканинної інженерії. Ультразвук допомагає в приготуванні наночастинок і композитів на основі графену, які використовуються в цих програмах.

SEM-зображення графенових нанопластинок при (b) X3000 та (c) X8000(Дослідження та зображення: ©Alizadeh et al., 2018)

Науково доведені результати для ультразвукових графенових нанопластинчастих дисперсій

Вчені використовували ультразвукові апарати Hielscher для синтезу та диспергування графенових нанопластинок у численних дослідженнях та енергійно перевіряли ефекти ультразвуку. Нижче ви можете знайти кілька прикладів успішного змішування графенових нанопластин у різні суміші, такі як водні суспензії, експозиційні смоли або розчин.
 
Загальноприйнятою процедурою для надійного, швидкого та рівномірного розсіювання графенових нанопластинок є наступна процедура:
Для диспергування графенові нанопластини були ультразвуковані в чистому ацетоні за допомогою ультразвукового міксера Hielscher UP400S протягом майже однієї години, щоб запобігти агломерації графенових листів. Ацетон повністю видалявся шляхом випаровування. Потім графенові нанопластинки були додані в 1 масовий % епоксидної системи та були проскановані в епоксидній смолі при 90 Вт протягом 15 хвилин.
(пор. Чакір та ін., 2016)
 
Інше дослідження досліджує армування нанорідин на основі іонної рідини (іонанофлюїдів) шляхом додавання графенових нанопластинок. Для чудової дисперсії суміш графенових нанопластинок, іонної рідини та додецилбензолсульфонату натрію гомогенізували за допомогою зондового звукового апарату Hielscher UP200S протягом приблизно 90 хв.
(пор. Алізаде та ін., 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) повідомляють про ефективне включення графенових нанопластинок у розчин. Таким чином, водні графенові суспензії отримували шляхом додавання нанопластинок – при вагах, що вписуються бажаним цільовим вмістом в отриманих матеріалах – у суміші звичайної водопровідної води та пластифікатора та подальшого магнітного перемішування протягом 2 хв. Суспензії гомогенізували ультразвуковим дослідженням протягом 90 хв при кімнатній температурі за допомогою апарату Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH), оснащеного 22-міліметровим сонотродом, що забезпечує пропускну здатність 4500 Дж/хв на частоті 24 кГц. Специфічна комбінація швидкості енергії та тривалості звукового звуку була встановлена як оптимальна після ретельного дослідження впливу параметрів ультразвуку на якість суспензії.
(пор. Tragazikis та ін., 2019)
 
Zainal et al. (2018) зазначають у своїх дослідженнях, що належна дисперсійна техніка, така як ультразвук, гарантує, що наноматеріали, такі як графенові нанопластинети, можуть покращувати властивості наповнювачів. Це пов'язано з тим, що дисперсія є одним з найважливіших факторів для виробництва якісних нанокомпозитів, таких як епоксидна затирка.

Високопродуктивні звукові апарати для обробки графенових нанопластин

Hielscher Ultrasonics є лідером на ринку, коли мова йде про високопродуктивні ультразвукові апарати для обробки наноматеріалів. Ультразвукові апарати зондового типу Hielscher використовуються в усьому світі в лабораторіях і промислових умовах для різних застосувань, включаючи обробку графенових нанопластинок.
Найсучасніші технології, німецька майстерність та інженерія, а також багаторічний технічний досвід роблять Hielscher Ultrasonics кращим партнером для успішного застосування ультразвуку.

Проектування, виробництво та консалтинг – Якість зроблено в Німеччині

Ультразвукові апарати Hielscher добре відомі своїми найвищими стандартами якості та дизайну. Надійність і простота експлуатації дозволяють плавно інтегрувати наші ультразвукові апарати в промислові об'єкти. З важкими умовами та вимогливими умовами легко справляються ультразвукові апарати Hielscher.

Hielscher Ultrasonics є сертифікованою компанією ISO і приділяє особливу увагу високопродуктивним ультразвуковим апаратам, які відрізняються найсучаснішими технологіями та зручністю для використання. Звичайно, ультразвукові апарати Hielscher відповідають вимогам CE та відповідають вимогам UL, CSA та RoHs.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: