Оксид графену – ультразвукове розшарування та диспергування

Ультразвукове розшарування є широко використовуваною технікою для виробництва оксиду графену шляхом розщеплення оксиду графіту на тонкі одношарові або багатошарові листи графену. Ультразвукові системи Hielscher створюють інтенсивну акустичну кавітацію, де енергонасичені ультразвукові хвилі генерують високоенергетичні мікробульбашки в рідкому середовищі. Ці бульбашки, що колапсують, створюють зсувні сили, які розділяють шари оксиду графіту, ефективно розшаровуючи їх у нанолисти оксиду графену. Використовуйте переваги високоефективної ультразвукової технології, щоб вивести ваші додатки на основі оксиду графену на новий рівень!

Ультразвукове розшарування оксиду графену

Оксид графену розчинний у воді, амфіфільний, нетоксичний, біорозкладний і може легко диспергуватися в стабільні колоїди. Ультразвукове розшарування та диспергування є дуже ефективним, швидким та економічно вигідним методом синтезу, диспергування та функціоналізації оксиду графену в промислових масштабах. При подальшій обробці ультразвукові диспергатори виробляють високоефективні композити оксиду графену та полімерів.

Переваги ультразвукового розшарування

Ультразвукове розшарування пропонує кілька переваг, включаючи простоту, масштабованість та екологічну безпеку, оскільки зазвичай не потребує жорстких хімічних речовин або складної обробки. Крім того, воно забезпечує точний контроль над розміром та товщиною нанолистів оксиду графену, що є критично важливим для налаштування їхніх властивостей у різних додатках.

У відео показано ультразвукове змішування та диспергування графіту в 250mL епоксидної смоли (Toolcraft L) за допомогою ультразвукового гомогенізатора (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics виготовляє обладнання для диспергування графіту, графену, вуглецевих нанотрубок, нанодротів або наповнювачів у лабораторії чи у великосерійному виробництві. Типові застосування – диспергування наноматеріалів і мікроматеріалів під час функціоналізації або їх диспергування в смолах чи полімерах.

Протокол: ультразвукове розшарування оксиду графену

Для контролю розміру нанолистів оксиду графену (GO) метод розшарування відіграє ключову роль. Завдяки точно контрольованим параметрам процесу ультразвукове розшарування є найбільш поширеною технікою розшарування для виробництва високоякісного графену та оксиду графену.
Для ультразвукового розшарування оксиду графену з оксиду графіту доступні різні протоколи. Нижче наведено прикладний протокол для ультразвукового розшарування оксиду графену:
Порошок оксиду графіту змішують у водному розчині KOH зі значенням pH 10. Для розшарування та подальшого диспергування використовується ультразвуковий апарат зондового типу UP200St (200W). Після цього іони K+ приєднуються до базової площини графену, щоб викликати процес старіння. Старіння досягається під час роторного випаровування (2 h). Для видалення надлишкових іонів K+ порошок промивають та центрифугують кілька разів.
Отриману суміш центрифугують та ліофілізують, так що осаджається диспергований порошок оксиду графену.
Приготування провідної пасти оксиду графену: порошок оксиду графену можна диспергувати у диметилформаміді (DMF) під час ультразвукової обробки для виробництва провідної пасти. (Han et al.2014)

Ультразвукове розшарування широко використовується для виробництва нанолистів графену та оксиду графену. Ультразвукові системи Hielscher переконують як дуже ефективна, економічно вигідна та швидка техніка синтезу графену, яка використовується для великих потоків суспензій та для масового виробництва графену.
Джерело зображення: 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.

Механізм ультразвукового розшарування оксиду графену
(Зображення: Potts et al. 2011)

Ультразвукова функціоналізація оксиду графену

Ультразвукова обробка успішно використовується для включення оксиду графену (GO) у полімери та композити.
Приклади:

композит оксиду графену та TiO2 з мікросфер
композит полістирол-магнетит-оксид графену (структура ядро–оболонка)
композити полістиролу та відновленого оксиду графену
композит ядро-оболонка полістирол/оксид графену (PANI-PS/GO), покритий нановолокнами поліаніліну
полістирол-інтеркальований оксид графену
модифікований оксид графену p-фенілендіамін-4вінілбензен-полістирол

Додатки оксиду графену, виробленого ультразвуковим розшаруванням

Оксид графену, вироблений за допомогою ультразвукового розшарування, має широкі додатки у різних галузях. В електроніці він використовується у гнучких провідних плівках та сенсорах; у зберіганні енергії він підвищує ефективність батарей та суперконденсаторів. Антибактеріальні властивості оксиду графену роблять його цінним у біомедичних додатках, тоді як його висока питома поверхня та функціональні групи є переважними у каталізі та екологічній ремедіації. Загалом, ультразвукове розшарування сприяє ефективному виробництву високоякісного оксиду графену для використання у передових технологіях.

Дізнайтеся, як отримувати високоякісний одношаровий графен шляхом ультразвукового розшарування за допомогою потужних зондових сонікаторів. Ультразвукова обробка – простий, ефективний і масштабований метод отримання графенових дисперсій із високим виходом і відмінною якістю листів.

Ультразвукові апарати для обробки графену та оксиду графену

Hielscher Ultrasonics пропонує високоефективні ультразвукові системи для розшарування, диспергування та обробки графену та оксиду графену. Надійні ультразвукові процесори та складні реактори забезпечують точний контроль, дозволяючи налаштувати ультразвукові процеси до бажаних цілей.
Одним із критично важливих параметрів є ультразвукова амплітуда, яка визначає вібраційне розширення та стиснення ультразвукового зонда. Промислові ультразвукові апарати Hielscher забезпечують високі амплітуди, до 200µm, працюючи безперервно у режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові зонди. Усі процесори можуть бути точно налаштовані до умов процесу та моніторитися через вбудоване програмне забезпечення, забезпечуючи надійність, стабільну якість та відтворювані результати.
Ультразвукові апарати Hielscher є міцними та можуть працювати безперервно в умовах важких навантажень, що робить ультразвукову обробку переважною технологією виробництва для великомасштабної підготовки графену, оксиду графену та графітових матеріалів.
Широкий асортимент продукції ультразвукових апаратів та аксесуарів, включаючи сонотроди та реактори різних розмірів та геометрій, дозволяє вибирати оптимальні умови реакції та фактори, такі як реагенти, вхід ультразвукової енергії, тиск, температура та об’ємна витрата, для досягнення найвищої якості. Ультразвукові реактори Hielscher можуть навіть стискатися до кількох сотень barg, дозволяючи ультразвукову обробку високов’язких паст з в’язкістю понад 250 000 centipoise.
Ультразвукове розшарування та експліація перевершують традиційні техніки завдяки цим факторам.

Щоб дізнатися більше про ультразвуковий синтез, диспергування та функціоналізацію графену, будь ласка, натисніть тут:

Факти, які варто знати

Ультразвук та кавітація: як графіт розшаровується до оксиду графену за допомогою ультразвукової обробки?

Ультразвукове розшарування оксиду графіту (GrO) базується на високій зсувній силі, індукованій акустичною кавітацією. Акустична кавітація виникає через чергування циклів високого тиску / низького тиску, які генеруються за допомогою зв’язку потужних ультразвукових хвиль у рідині. Під час циклів низького тиску виникають дуже малі порожнини або вакуумні бульбашки, які ростуть протягом чергування циклів низького тиску. Коли вакуумні бульбашки досягають розміру, де вони не можуть поглинати більше енергії, вони різко колапсують під час циклу високого тиску. Імплозія бульбашки призводить до кавітаційних зсувних сил та хвиль напруги, екстремальної температури до 6000K, екстремальних швидкостей охолодження понад 10¹⁰K/s, дуже високих тисків до 2000atm, екстремальних перепадів тиску, а також рідинних струменів зі швидкістю до 1000km/h (∼280m/s).
Ці інтенсивні сили впливають на стопки графіту, які розшаровуються на одношарові або багатошарові нанолисти оксиду графену та чистого графену.

Що таке оксид графену?

Оксид графену (GO) синтезується шляхом розшарування оксиду графіту (GrO). Хоча оксид графіту є 3D-матеріалом, що складається з мільйонів шарів графену з інтеркальованими атомами кисню, оксид графену є одношаровим або багатошаровим графеном, який оксигенований з обох боків.
Оксид графену та графен відрізняються один від одного за наступними характеристиками: оксид графену є полярним, тоді як графен є неполярним. Оксид графену є гідрофільним, тоді як графен є гідрофобним.
Це означає, що оксид графену розчинний у воді, амфіфільний, нетоксичний, біорозкладний та утворює стабільні колоїдні суспензії. Поверхня оксиду графену містить епоксидні, гідроксильні та карбоксильні групи, які доступні для взаємодії з катіонами та аніонами. Завдяки їхній унікальній органічно-неорганічній гібридній структурі та винятковим властивостям композити GO–полімер пропонують високий потенціал для різноманітних промислових додатків. (Tolasz et al. 2014)

Що таке відновлений оксид графену?

Відновлений оксид графену (rGO) виробляється за допомогою ультразвукового, хімічного або термічного відновлення оксиду графену. Під час етапу відновлення більшість кисневих функціональних груп оксиду графену видаляються, так що отриманий відновлений оксид графену (rGO) має дуже схожі характеристики до чистого графену. Однак відновлений оксид графену (rGO) не є бездефектним та чистим, як чистий графен.

Література/Посилання

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.