Grafen oksidi – ultratovushli eksfoliatsiya va dispersiyalash

Ultratovushli eksfoliatsiya grafit oksidini yupqa, bir yoki bir necha qatlamli grafen varaqlariga ajratish orqali grafen oksidi olish uchun keng qoʻllaniladigan usuldir. Hielscher sonikatorlari kuchli akustik kavitatsiya hosil qiladi; bunda energiya zichligi yuqori boʻlgan ultratovush toʻlqinlari suyuq muhitda yuqori energiyali mikropufakchalarni hosil qiladi. Ushbu pufakchalarning yemirilishi grafit oksidi qatlamlarini bir-biridan ajratadigan siljish kuchlarini yuzaga keltiradi va ularni samarali ravishda grafen oksidi nanovaraqlariga eksfoliatsiya qiladi. Grafen oksidiga asoslangan qoʻllanmangizni keyingi bosqichga olib chiqish uchun yuqori samarali ultratovush texnologiyasidan foydalaning!

Grafen oksidining ultratovushli eksfoliatsiyasi

Grafen oksidi suvda eruvchan, amfifil, zaharsiz, biologik parchalanadigan modda boʻlib, uni barqaror kolloidlar hosil qilish uchun oson dispersiyalash mumkin. Ultratovushli eksfoliatsiya va dispersiyalash grafen oksidini sanoat miqyosida sintez qilish, dispersiyalash va funksionallashtirish uchun juda samarali, tezkor va iqtisodiy tejamkor usuldir. Keyingi qayta ishlash bosqichlarida ultratovushli dispersatorlar yuqori samarali grafen oksidi–polimer kompozitlarini hosil qiladi.

Ultratovushli eksfoliatsiyaning afzalliklari

Ultratovushli eksfoliatsiya soddalik, miqyosni kengaytirish imkoniyati va ekologik maqbullik kabi bir qator afzalliklarni taqdim etadi, chunki u odatda kuchli taʼsir qiluvchi kimyoviy moddalar yoki murakkab qayta ishlashni talab qilmaydi. Bundan tashqari, u grafen oksidi nanovaraqlarining oʻlchami va qalinligini aniq nazorat qilish imkonini beradi, bu esa turli qoʻllanmalarda ularning xususiyatlarini moslashtirish uchun juda muhimdir.

Videoda ultratovushli gomogenizator (UP400St, Hielscher Ultrasonics) yordamida grafitni 250mL epoksi qatronida (Toolcraft L) ultratovush bilan aralashtirish va dispersiyalash ko‘rsatilgan. Hielscher Ultrasonics laboratoriyada yoki katta hajmli ishlab chiqarish jarayonlarida grafit, grafen, uglerod nanonaychalari, nanosimlar yoki to‘ldirgichlarni dispersiyalash uchun uskunalar ishlab chiqaradi. Odatdagi qo‘llanishlar nanomateriallar va mikromateriallarni funksionallashtirish jarayonida dispersiyalash yoki ularni qatronlar yoxud polimerlar ichida dispersiyalashni o‘z ichiga oladi.

Protokol: grafen oksidining ultratovushli eksfoliatsiyasi

Grafen oksidi (GO) nanovaraqlarining oʻlchamini nazorat qilishda eksfoliatsiya usuli asosiy omil hisoblanadi. Jarayon parametrlarini aniq nazorat qilish mumkinligi tufayli ultratovushli eksfoliatsiya yuqori sifatli grafen va grafen oksidi ishlab chiqarishda eng keng qoʻllaniladigan qatlamlarga ajratish usulidir.
Grafit oksididan grafen oksidini ultratovushli eksfoliatsiya qilish uchun turli protokollar mavjud. Quyida grafen oksidining ultratovushli eksfoliatsiyasi uchun namunaviy protokol keltirilgan:
Grafit oksidi kukuni pH qiymati 10 boʻlgan KOH ning suvli eritmasida aralashtiriladi. Eksfoliatsiya va undan keyingi dispersiyalash uchun zondli UP200St (200W) ultratovush qurilmasi ishlatiladi. Soʻngra qarish jarayonini boshlash uchun K+ ionlari grafenning bazal tekisligiga biriktiriladi. Qarish rotatsion bugʻlatish sharoitida amalga oshiriladi (2 h). Ortiqcha K+ ionlarini yoʻqotish uchun kukun bir necha marta yuviladi va sentrifugalanadi.
Olingan aralashma sentrifugalanadi va muzlatib quritiladi, natijada dispersiyalanadigan grafen oksidi kukuni choʻkmaga tushadi.
Elektr oʻtkazuvchan grafen oksidi pastasini tayyorlash: elektr oʻtkazuvchan pasta olish uchun grafen oksidi kukunini ultratovush bilan ishlov berish orqali dimetilformamid (DMF) ichida dispersiyalash mumkin. (Han et al.2014)

Ultratovushli eksfoliatsiya grafen nanovaraqlari va grafen oksidini olish uchun keng qoʻllaniladi. Hielscher ultratovush tizimlari grafen sintezining juda samarali, iqtisodiy tejamkor va tezkor usuli sifatida oʻzini namoyon etadi; ular katta suspenziya oqimlari uchun va grafenni ommaviy ishlab chiqarishda qoʻllaniladi.
Rasm manbasi: Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Grafen asosidagi polimer nanokompozitlar. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.

Grafen oksidining ultratovushli eksfoliatsiyasi mexanizmi
(Rasm: Potts et al. 2011)

Grafen oksidini ultratovush yordamida funksionallashtirish

Grafen oksidini (GO) polimerlar va kompozitlar tarkibiga kiritish uchun ultratovush bilan ishlov berish muvaffaqiyatli qoʻllaniladi.
Misollar:

grafen oksidi–TiO2 mikrosfera kompoziti
polistirol–magnetit–grafen oksidi kompoziti (yadro–qobiq tuzilishiga ega)
polistirol–qaytarilgan grafen oksidi kompozitlari
polianilin nanotolalari bilan qoplangan polistirol/grafen oksidi (PANI-PS/GO) yadro–qobiq kompoziti
qatlamlari orasiga polistirol kiritilgan grafen oksidi
p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene bilan modifikatsiyalangan grafen oksidi

Ultratovushli eksfoliatsiya orqali olingan grafen oksidining qoʻllanilishi

Ultratovushli eksfoliatsiya orqali olingan grafen oksidi turli sohalarda keng qoʻllaniladi. Elektronikada u egiluvchan elektr oʻtkazuvchan plyonkalar va sensorlarda ishlatiladi; energiyani saqlashda esa batareyalar va superkondensatorlarning samaradorligini oshiradi. Grafen oksidining antibakterial xususiyatlari uni biotibbiy qoʻllanmalarda qimmatli qiladi, katta sirt maydoni va funksional guruhlari esa kataliz hamda atrof-muhitni ifloslantiruvchi moddalardan tozalashda afzallik beradi. Umuman olganda, ultratovushli eksfoliatsiya ilgʻor texnologiyalarda foydalanish uchun yuqori sifatli grafen oksidini samarali ishlab chiqarishni osonlashtiradi.

Yuqori quvvatli zondli sonikatorlar yordamida ultratovush bilan qatlamlarga ajratish orqali yuqori sifatli bir qatlamli grafen olishni o‘rganing. Ultratovush bilan ishlov berish yuqori unum va a’lo sifatli varaqlarga ega grafen dispersiyalarini olishning oson, samarali va miqyosini oshirish mumkin bo‘lgan usulidir.

Grafen va grafen oksidiga ishlov berish uchun sonikatorlar

Hielscher Ultrasonics grafen va grafen oksidini eksfoliatsiya qilish, dispersiyalash va qayta ishlash uchun yuqori quvvatli ultratovush tizimlarini taklif etadi. Ishonchli ultratovushli protsessorlar va murakkab reaktorlar aniq nazoratni taʼminlab, ultratovush jarayonlarini koʻzlangan maqsadlarga moslashtirish imkonini beradi.
Muhim parametrlardan biri ultratovush amplitudasi boʻlib, u ultratovush zondining tebranishdagi kengayishi va qisqarishini belgilaydi. Hielscher sanoat ultratovush qurilmalari 200µm gacha boʻlgan yuqori amplitudalarni taʼminlaydi va 24/7 rejimida uzluksiz ishlaydi. Yanada yuqori amplitudalar uchun maxsus tayyorlangan ultratovush zondlari mavjud. Barcha protsessorlarni jarayon sharoitlariga aniq moslashtirish va oʻrnatilgan dasturiy taʼminot orqali kuzatish mumkin, bu esa ishonchlilik, bir xil sifat va takror hosil qilinadigan natijalarni taʼminlaydi.
Hielscher sonikatorlari mustahkam boʻlib, ogʻir ish sharoitlarida uzluksiz ishlashi mumkin; shu tufayli ultratovush bilan ishlov berish grafen, grafen oksidi va grafitli materiallarni katta miqyosda tayyorlash uchun afzal ishlab chiqarish texnologiyasidir.
Ultratovush qurilmalari va aksessuarlarining keng assortimenti, jumladan, turli oʻlcham va geometrik shakllardagi sonotrodlar va reaktorlar eng yuqori sifatga erishish uchun reagentlar, ultratovush energiyasi kiritilishi, bosim, harorat va hajmiy oqim tezligi kabi optimal reaksiya sharoitlari va omillarini tanlash imkonini beradi. Hielscher ultratovush reaktorlarida hatto bir necha yuz barg gacha bosim hosil qilish mumkin, bu esa qovushqoqligi 250 000 sentipuazdan oshadigan oʻta qovushqoq pastalarga ultratovush bilan ishlov berish imkonini beradi.
Ushbu omillar tufayli ultratovush yordamida qatlamlarga ajratish va eksfoliatsiya anʼanaviy usullardan ustun turadi.

Grafenni ultratovush yordamida sintez qilish, dispersiyalash va funksionallashtirish haqida batafsil maʼlumot olish uchun bu yerni bosing:

Bilishga arziydigan faktlar

Ultratovush va kavitatsiya: ultratovush bilan ishlov berish yordamida grafit qanday qilib grafen oksidiga eksfoliatsiya qilinadi?

Grafit oksidining (GrO) ultratovushli eksfoliatsiyasi akustik kavitatsiya yuzaga keltiradigan yuqori siljish kuchiga asoslanadi. Akustik kavitatsiya kuchli ultratovush toʻlqinlarining suyuqlikka uzatilishi natijasida hosil boʻladigan navbatma-navbat yuqori bosim / past bosim sikllari tufayli yuzaga keladi. Past bosim sikllarida juda kichik boʻshliqlar yoki vakuum pufakchalari paydo boʻlib, ular navbatlashuvchi past bosim sikllari davomida oʻsib boradi. Vakuum pufakchalari boshqa energiya yuta olmaydigan oʻlchamga yetganda, yuqori bosim siklida keskin yemiriladi. Pufakchalarning ichkariga qarab yemirilishi kavitatsion siljish kuchlari va mexanik kuchlanish toʻlqinlarini, 6000K gacha boʻlgan nihoyatda yuqori haroratni, 10¹⁰K/s dan yuqori nihoyatda katta sovish tezliklarini, 2000atm gacha boʻlgan juda yuqori bosimlarni, nihoyatda katta bosim farqlarini, shuningdek, tezligi 1000km/h (∼280m/s) gacha boʻlgan suyuqlik oqimchalarini yuzaga keltiradi.
Ushbu kuchli taʼsirlar grafit qatlamlari toʻplamlariga taʼsir qiladi va ular bir yoki bir necha qatlamli grafen oksidi hamda sof grafen nanovaraqlariga ajraladi.

Grafen oksidi nima?

Grafen oksidi (GO) grafit oksidini (GrO) eksfoliatsiya qilish orqali sintez qilinadi. Grafit oksidi qatlamlari orasiga kislorod kiritilgan millionlab grafen qatlamlaridan tashkil topgan 3D material boʻlsa, grafen oksidi ikkala tomonidan kislorod bilan funksionallashtirilgan bir yoki bir necha qatlamli grafendir.
Grafen oksidi va grafen quyidagi xususiyatlari bilan bir-biridan farq qiladi: grafen oksidi qutbli, grafen esa qutbsiz. Grafen oksidi gidrofil, grafen esa gidrofob.
Bu grafen oksidi suvda eruvchan, amfifil, zaharsiz, biologik parchalanadigan modda ekanini va barqaror kolloid suspenziyalar hosil qilishini anglatadi. Grafen oksidi sirtida kationlar va anionlar bilan oʻzaro taʼsirlasha oladigan epoksi, gidroksil va karboksil guruhlari mavjud. Noyob organik–noorganik gibrid tuzilishi va ajoyib xususiyatlari tufayli GO–polimer kompozitlari turli sanoat qoʻllanmalari uchun katta salohiyatga ega. (Tolasz et al. 2014)

Qaytarilgan grafen oksidi nima?

Qaytarilgan grafen oksidi (rGO) grafen oksidini ultratovushli, kimyoviy yoki termik qaytarish orqali olinadi. Qaytarish bosqichida grafen oksidining kislorodli funksional guruhlarining aksariyati olib tashlanadi, shuning uchun hosil boʻlgan qaytarilgan grafen oksidi (rGO) sof grafenga juda oʻxshash xususiyatlarga ega boʻladi. Biroq qaytarilgan grafen oksidi (rGO) toza grafen kabi nuqsonsiz va sof emas.

Adabiyotlar/Manbalar

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.