Ультразвукова ексфоліація графену, диспергованого у воді

• Одно- та двошарові графенові нанолисти можна швидко отримувати шляхом ультразвукової ексфоліації з високою продуктивністю та низькими витратами.
• Графен, ексфолійований ультразвуком, можна функціоналізувати біополімерами для отримання графену, диспергованого у воді.
• За допомогою ультразвукової кавітації синтезований графен можна далі переробляти на стабільну дисперсію на водній основі.

Ультразвукова ексфоліація високоякісного графену

Ультразвукова обробка – надійний метод отримання шарів графену (одно-, дво- та малошарового графену) з графітових пластівців або частинок. Тоді як інші поширені методи ексфоліації, як-от кульові та валкові млини або змішувачі з високими зсувними зусиллями, пов’язані з низькою якістю та використанням агресивних реагентів і розчинників, метод ультразвукової ексфоліації переконує високою якістю отриманого продукту, високою продуктивністю процесу та м’якими умовами обробки.
Ультразвукова кавітація створює інтенсивні зсувні сили, які розділяють укладені в стоси шари графіту на одно-, дво- та малошаровий графен без дефектів.

Графенові листи, дисперговані у воді, завдяки ультразвуковій обробці

Ультразвукова обробка – ефективна процедура з відтворюваними результатами для розплутування вуглецевих нанотрубок у воді або органічних розчинниках.[/caption]За звичайних умов графен погано диспергується у воді та утворює агрегати й агломерати під час диспергування у водному середовищі. Оскільки водні системи мають значні переваги – низьку вартість, нетоксичність та екологічність, – системи графену на водній основі є вельми привабливими для виробників графену та галузей, що використовують його в подальшому виробництві.
Для отримання графенових нанолистів, диспергованих у воді, графен, ексфолійований ультразвуком, модифікують полісахаридами / біополімерами, як-от пулулан, хітозан, альгінат, желатин або гуміарабік.

Протокол прямої ексфоліації графіту за допомогою ультразвуку

Неіонний пулулан та аніонний альгінат (1,0 g) окремо розчиняли у 20 ml дистильованої води, тоді як катіонний хітозан (0,4 g) розчиняли у 20 ml дистильованої води з 1 wt% оцтової кислоти. Графітовий порошок диспергували у водних розчинах біополімерів та обробляли за допомогою зондового ультразвукового апарата UP200S (максимальна потужність 200 W, частота 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Німеччина), оснащеного титановим сонотродом (мікронаконечник S3, діаметр наконечника 3 mm, максимальна амплітуда 210µm, густина акустичної потужності або поверхнева інтенсивність 460 W cm-2), за таких умов: цикл 0,5 та амплітуда 50%, тривалість обробки 10, 20, 30 та 60 min відповідно. Найкращі результати отримали за тривалості ультразвукової обробки 30min. Ультразвукову обробку проводили за потужності 16,25 W протягом 30 хвилин з енергоспоживанням (виходом енергії на одиницю об’єму) 731 Ws ml-1.
Після цього суміші центрифугували за 1500 rpm протягом 60 min для видалення неексфолійованих частинок графіту, потім промивали 5 разів і знову центрифугували за 5000 rpm протягом 20 min для видалення надлишку біополімерів. Отримані темно-сірі розчини сушили у вакуумі за 40ºC до припинення втрати маси. Отримані порошки полімер–графен повторно диспергували у воді (1 mg ml-1 для пулулану та хітозану; 0,18 mg ml-1 для альгінату) для визначення характеристик. Графенові листи, отримані ультразвуковою обробкою за участю пулулану, альгінату та хітозану, позначили як pull-G, alg-G та chit-G відповідно.
Із трьох систем пулулан і хітозан були ефективнішими для ексфоліації графіту, ніж альгінат. Цей метод дав змогу отримати ексфолійовані одно-, дво- та малошарові графенові листи лише з незначними бічними (крайовими) дефектами. Адсорбція біополімерів на поверхні графену забезпечує тривалу стабільність (понад 6 місяців) водної дисперсії.
(пор. Unalan et al. 2015)

Високошвидкісна послідовність кадрів (від a до f), що ілюструє ультразвукову механічну ексфоліацію графітового пластівця у воді за допомогою UP200S, ультразвукового апарата потужністю 200W із сонотродом діаметром 3 mm. Стрілки показують місце розщеплення (ексфоліації), у яке проникають кавітаційні бульбашки.
(дослідження та зображення: © Tyurnina et al. 2020

Ультразвукові апарати для ексфоліації графену

Високопотужні ультразвукові процесори Hielscher використовують у всьому світі для успішної ексфоліації та диспергування графіту й графену. Наші ультразвукові диспергатори доступні у виконаннях від лабораторних і настільних пристроїв до повномасштабних промислових виробничих установок. Окрім міцності, можливості роботи 24/7 та низьких потреб у технічному обслуговуванні, ультразвукові апарати Hielscher переконують простотою проведення процесів і лінійною масштабованістю.
Процеси можна легко випробовувати й оптимізувати в лабораторії. Після цього всі результати процесу можна масштабувати цілком лінійно до рівня комерційного виробництва. Це робить ультразвукову обробку дієвим та ефективним методом виробництва великих обсягів високоякісних графенових листів.
Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Безперервну роботу з амплітудами до 200µm можна легко підтримувати в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні ультразвукові сонотроди, виготовлені на замовлення. Відповідні ультразвукові реактори забезпечують можливість надійного та безпечного масового виробництва високоякісних графенових нанолистів, а також стабільних дисперсій нанолистів.

Міцність ультразвукового обладнання Hielscher дає змогу працювати в режимі 24/7 за високих навантажень і в складних умовах.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових апаратів: