Ультразвукове відлущування водно-дисперсійного графену

• Моно- та двошарові графенові нанолисти можна швидко виготовляти за допомогою ультразвукового відлущування з високою пропускною здатністю та низькою вартістю.
• Ультразвуково відлущений графен можна функціоналізувати за допомогою біополімерів з метою отримання вододисперсного графену.
• За допомогою ультразвукової кавітації синтезований графен може бути додатково перероблений у стабільну дисперсію на водній основі.

Ультразвукове відлущування високоякісного графену

Ультразвук є надійним методом отримання шарів графену (моно-, дво- та кількашарового графену) з графітових пластівців або частинок. У той час як інші поширені методи відлущування, такі як кулькові та валкові млини або міксери з високим зсувом, пов'язані з низькою якістю та використанням агресивних реагентів і розчинників, метод ультразвукового відлущування переконує своєю високою якістю на виході, високою продуктивністю процесу та м'якими умовами обробки.
Ультразвукова кавітація створює інтенсивні сили зсуву, які розділяють складені шари графіту на моно-, бі- та кілька шарів бездефектного графену.

Вододисперсні графенові листи за допомогою ультразвуку

Ультразвук – це ефективна процедура з повторюваними результатами для розплутування вуглецевих нанотрубок у воді або органічних розчинниках. [/caption] У нормальних умовах графен майже не диспергується у воді і при диспергуванні у водному середовищі утворює агрегати та агломерати. Оскільки водні системи мають значні переваги в тому, що вони недорогі, нетоксичні, екологічно чисті, графенові системи на водній основі дуже привабливі для виробників графену та переробної промисловості.
Для отримання вододисперсних графенових нанолистів, ультразвуково відлущений графен модифікують полісахаридами? біополімерами, такими як пулулан, хітозан, альгінат, желатин або гуміарабік.

Протокол прямого відлущування графіту за допомогою ультразвуку

Неіонний пулулан та аніонний альгінат (1,0 г) окремо розчиняли у 20 мл дистильованої води, тоді як катіонний хітозан (0,4 г) розчиняли у 20 мл дистильованої води з 1 мас.% оцтової кислоти. Графітовий порошок диспергували у водних біополімерних розчинах і обробляли за допомогою зондового ультразвукового апарату UP200S (максимальна потужність 200 Вт, частота 24 кГц, Hielscher Ultrasonics, Німеччина), оснащеного титановим сонотродом (мікронаконечник S3, діаметр наконечника 3 мм, максимальна амплітуда 210 мкм, щільність акустичної потужності або інтенсивність поверхні 460 Вт см-2) в наступних умовах: 0,5 циклу і 50% амплітуди, протягом 10, 20, 30 і 60 хв відповідно. Найкращі результати були отримані при 30-хвилинному ультразвуковому дослідженні. Ультразвукове дослідження проводилося при потужності 16,25 Вт протягом 30 хвилин, при витраті енергії (вихід енергії на одиницю об'єму) 731 Вт мл-1.
Надалі суміші центрифугували при 1500 об/хв протягом 60 хв для видалення невідшарованих частинок графіту, а потім промивали 5 разів і знову центрифугували при 5000 об/хв протягом 20 хв для видалення надлишків біополімерів. Отримані темно-сірі розчини сушили у вакуумі при температурі 40ºC до відсутності втрати маси. Отримані полімер-графені порошки повторно диспергували у воді (1 мг мл-1 для пуллулану та хітозану; 0,18 мг мл-1 для альгінату) для характеристики. Графенові листи, отримані за допомогою пуллулан-, альгінатного та хітозан-асистованого ультразвуку, були позначені як pull-G, alg-G та chit-G відповідно.
З трьох систем пуллулан і хітозан були більш ефективними в відлущуванні графіту, ніж альгінату. Цей метод дозволив отримати відшаровані моно-, бі- та кілька шарових графенових листів лише з низькими бічними (краями) дефектами. Адсорбція біополімерів на поверхні графену забезпечує тривалу стабільність (більше 6 місяців) водної дисперсії.
(пор. Unalan та ін., 2015)

Високошвидкісна послідовність (від a до f) кадрів, що ілюструють сономеханічне відлущування графітової лусочки у воді за допомогою UP200S, ультразвукового апарату потужністю 200 Вт з сонотродом 3 мм. Стрілками показано місце розщеплення (відлущування) з кавітаційними бульбашками, що проникають в розщепів.(дослідження та ілюстрації: © Тюрніна та ін., 2020

Ультразвукові засоби для відлущування графеном

Потужні ультразвукові процесори Hielscher використовуються в усьому світі для успішного відлущування та диспергування графіту та графену. Наші ультразвукові диспергатори доступні від лабораторних і настільних до повністю промислових виробничих установок. Крім надійності, роботи 24/7 і невибагливості в обслуговуванні, ультразвукові апарати Hielscher переконують високою простотою обробки і лінійною масштабованістю.
Процеси можна легко протестувати та оптимізувати в лабораторії. Після цього всі результати процесу можуть бути повністю лінійно масштабовані до рівня комерційного виробництва. Це робить ультразвук ефективним і ефективним методом виробництва великої кількості високоякісних графенових листів.
Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть видавати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Відповідні ультразвукові реактори забезпечують можливість надійного та безпечного масового виробництва високоякісних графенових нанолистів, а також стабільних дисперсій нанолистів.

The robustness of Hielscher’s ultrasonic equipment allows for 24/7 operation at heavy duty and in demanding environments.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: