Graphene nanoplatelets tổng hợp và phân tán thông qua đầu dò-sonication

Tiểu cầu nano graphene (GNPs) có thể được tổng hợp và phân tán với hiệu quả và độ tin cậy cao bằng cách sử dụng sonicators. Ultrasonication cường độ cao được sử dụng để tẩy tế bào chết than chì và thu được graphene ít lớp, thường được gọi là tiểu cầu nano graphene. Sonication cũng vượt trội trong việc đạt được sự phân phối tiểu cầu nano graphene tuyệt vời trong cả huyền phù thấp và có độ nhớt cao.

Xử lý tiểu cầu nano graphene – Kết quả vượt trội với Sonication

Đối với xử lý tiểu cầu nano graphene, sonicators loại đầu dò là công cụ hiệu quả, đáng tin cậy và dễ sử dụng nhất. Kể từ khi ultrasonication có thể được áp dụng để tổng hợp, phân tán và chức năng hóa của graphene nanoplatelets, sonicators được sử dụng cho nhiều ứng dụng liên quan đến graphene:

• Tẩy da chết và tổng hợp Sonicators loại đầu dò được sử dụng để tẩy tế bào chết than chì thành tiểu cầu nano graphene hoặc graphene vài lớp. Ultrasonication cường độ cao phá vỡ các lực xen kẽ và phá vỡ than chì thành các tấm graphene nhỏ hơn, riêng lẻ.
• Phân tán: Đạt được sự phân tán đồng đều của tiểu cầu nano graphene trong môi trường lỏng là rất quan trọng đối với tất cả các ứng dụng liên quan đến graphene. Sonicators loại đầu dò có thể phân tán các tiểu cầu nano đồng đều trong toàn bộ chất lỏng, ngăn ngừa sự kết tụ và đảm bảo huyền phù ổn định.
• Chức năng hóa: Sonication tạo điều kiện cho chức năng của tiểu cầu nano graphene bằng cách thúc đẩy sự gắn kết của các nhóm chức hoặc phân tử với bề mặt của chúng. Chức năng này tăng cường khả năng tương thích của chúng với các polyme hoặc vật liệu cụ thể.

Tổng hợp tiểu cầu nano graphene thông qua Sonication

Tiểu cầu nano graphene có thể được tổng hợp bằng cách tẩy da chết than chì hỗ trợ siêu âm. Do đó, một hệ thống treo than chì được sonicated bằng cách sử dụng một máy đồng nhất siêu âm loại đầu dò. Quy trình này đã được thử nghiệm với nồng độ rất thấp (ví dụ: 4wt% hoặc thấp hơn) đến cao (ví dụ: 10wt% hoặc cao hơn).
 
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.

Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền độ phân giải cao của các tấm nano graphene thu được
thông qua phân tán pha nước hỗ trợ siêu âm và phương pháp Hummer.
(Nghiên cứu và đồ họa: Ghanem và Rehim, 2018)

Sự khác biệt giữa tấm graphene và tiểu cầu nano là gì?

Tấm graphene và tiểu cầu nano graphene đều là vật liệu nano bao gồm graphene, là một lớp nguyên tử carbon duy nhất được sắp xếp trong một mạng lục giác. Đôi khi, tấm graphene và tiểu cầu nano graphene được sử dụng làm thuật ngữ có thể hoán đổi cho nhau. Nhưng về mặt khoa học, có một vài khác biệt giữa các vật liệu nano graphene này: Sự khác biệt chính giữa tấm graphene và tiểu cầu nano graphene nằm ở cấu trúc và độ dày của chúng. Các tấm graphene bao gồm một lớp nguyên tử carbon duy nhất và đặc biệt mỏng, trong khi tiểu cầu nano graphene dày hơn và bao gồm nhiều lớp graphene xếp chồng lên nhau. Những khác biệt về cấu trúc này có thể ảnh hưởng đến tính chất và sự phù hợp của chúng đối với các ứng dụng cụ thể. Việc sử dụng sonicators kiểu đầu dò là một kỹ thuật hiệu quả và hiệu quả cao để tổng hợp, phân tán và chức năng hóa các tấm graphene một lớp graphene cũng như các tiểu cầu nano graphene xếp chồng lên nhau vài lớp.

Đồ họa trực quan hóa sự tổng hợp siêu âm của tiểu cầu nano graphene bằng cách sử dụng sonicator UP100H
(Nghiên cứu và đồ họa: Ghanem và Rehim, 2018)

Phân tán Graphene Nanoplatelets bằng cách sử dụng Sonication

Sự phân tán đồng đều của tiểu cầu nano graphene (GNP) là rất quan trọng trong các ứng dụng khác nhau vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất và hiệu suất của vật liệu hoặc sản phẩm thu được. Do đó, sonicators được cài đặt để phân tán tiểu cầu nano graphene trong các ngành công nghiệp khác nhau. Các ngành công nghiệp sau đây là những ví dụ nổi bật cho việc sử dụng siêu âm điện:
 

• Vật liệu tổng hợp nano: Tiểu cầu nano graphene có thể được tích hợp vào các vật liệu nanocomposite khác nhau, chẳng hạn như polyme, để tăng cường tính chất cơ học, điện và nhiệt của chúng. Máy sonicators kiểu đầu dò hỗ trợ phân tán đồng đều các tiểu cầu nano trong ma trận polymer, dẫn đến cải thiện hiệu suất vật liệu.
• Điện cực và pin: Tiểu cầu nano graphene được sử dụng trong việc phát triển các điện cực hiệu suất cao cho pin và siêu tụ điện. Sonication giúp tạo ra các vật liệu điện cực dựa trên graphene phân tán tốt với diện tích bề mặt tăng lên, giúp cải thiện khả năng lưu trữ năng lượng.
• Xúc tác: Sonication có thể được sử dụng để chuẩn bị vật liệu xúc tác dựa trên tiểu cầu nano graphene. Sự phân tán đồng đều của các hạt nano xúc tác trên bề mặt graphene có thể tăng cường hoạt động xúc tác trong các phản ứng khác nhau.
• Sensors: Tiểu cầu nano graphene có thể được sử dụng trong chế tạo cảm biến cho các ứng dụng khác nhau, bao gồm cảm biến khí, cảm biến sinh học và giám sát môi trường. Sonication đảm bảo phân phối đồng nhất các tiểu cầu nano trong vật liệu cảm biến, dẫn đến cải thiện độ nhạy và hiệu suất.
• Lớp phủ và phim: Sonicators loại đầu dò được sử dụng để chuẩn bị lớp phủ và màng dựa trên tiểu cầu nano graphene cho các ứng dụng trong điện tử, hàng không vũ trụ và lớp phủ bảo vệ. Sự phân tán đồng đều và độ bám dính thích hợp với chất nền là rất quan trọng đối với các ứng dụng này.
• Ứng dụng y sinh: Trong các ứng dụng y sinh, tiểu cầu nano graphene có thể được sử dụng để phân phối thuốc, hình ảnh và kỹ thuật mô. Sonication giúp chuẩn bị các hạt nano dựa trên graphene và vật liệu tổng hợp được sử dụng trong các ứng dụng này.

Hình ảnh SEM của tiểu cầu nano graphene ở (b) X3000 và (c) X8000
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Alizadeh et al., 2018)

Kết quả đã được khoa học chứng minh cho siêu âm graphene nano phân tán tiểu cầu

Các nhà khoa học đã sử dụng sonicators Hielscher để tổng hợp và phân tán tiểu cầu nano graphene trong nhiều nghiên cứu và thử nghiệm các hiệu ứng của ultrasonication mạnh mẽ. Dưới đây, bạn có thể tìm thấy một vài ví dụ để trộn thành công tiểu cầu nano graphene thành các hỗn hợp khác nhau như bùn nước, nhựa expoy hoặc vữa.
 
Một quy trình phổ biến để phân tán đồng đều đáng tin cậy, nhanh chóng các tiểu cầu nano graphene là quy trình sau:
Để phân tán, các tiểu cầu nano graphene được sonicated trong acetone tinh khiết bằng cách sử dụng máy trộn siêu âm Hielscher UP400S trong gần một giờ để ngăn chặn sự kết tụ của các tấm graphene. Acetone đã được loại bỏ hoàn toàn bằng cách bay hơi. Sau đó, các tiểu cầu nano graphene được thêm vào ở 1% trọng lượng của hệ thống epoxy và được sonicated trong nhựa epoxy ở 90W trong 15 phút.
(xem Cakir và cộng sự, 2016)
 
Một nghiên cứu khác điều tra sự gia cố của chất lỏng nano dựa trên chất lỏng ion (ionanofluids) bằng cách thêm tiểu cầu nano graphene. Để phân tán vượt trội, hỗn hợp tiểu cầu nano graphene, chất lỏng ion và natri dodecyl benzene sulfonate đã được đồng nhất bằng cách sử dụng sonicator loại đầu dò Hielscher UP200S trong khoảng 90 phút.
(xem Alizadeh và cộng sự, 2018)

 
Tragazikis et al. (2019) báo cáo sự kết hợp hiệu quả của tiểu cầu nano graphene vào vữa. Do đó, huyền phù graphene nước được tạo ra bằng cách bổ sung các tiểu cầu nano - với trọng lượng được ghi bởi hàm lượng mục tiêu mong muốn trong vật liệu kết quả - trong hỗn hợp nước máy thông thường và chất làm dẻo và khuấy từ tính tiếp theo trong 2 phút. Hệ thống treo được đồng nhất bằng siêu âm trong 90 phút ở nhiệt độ phòng, sử dụng thiết bị Hielscher UP400S (Hielscher Ultrasonics GmbH) được trang bị sonotrode 22mm cung cấp thông lượng điện 4500 J / phút ở tần số 24 kHz. Sự kết hợp cụ thể của tỷ lệ năng lượng và thời gian sonication được thiết lập là tối ưu sau một cuộc điều tra tỉ mỉ về ảnh hưởng của các thông số siêu âm của chất lượng đình chỉ.
(xem Tragazikis và cộng sự, 2019)
 
Zainal et al. (2018) tuyên bố trong nghiên cứu của họ rằng một kỹ thuật phân tán thích hợp như sonication đảm bảo rằng các vật liệu nano như tấm nano graphene có thể tăng cường tính chất của vật liệu lấp đầy. Điều này là do thực tế là sự phân tán là một trong những yếu tố quan trọng nhất để sản xuất vật liệu nano chất lượng cao như vữa epoxy.

Sonicators hiệu suất cao để xử lý tiểu cầu nano graphene

Hielscher Ultrasonics là nhà lãnh đạo thị trường khi nói đến ultrasonicators hiệu suất cao để xử lý vật liệu nano. Máy sonicators loại đầu dò Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới trong các phòng thí nghiệm và thiết lập công nghiệp cho các ứng dụng khác nhau, bao gồm cả việc xử lý tiểu cầu nano graphene.
Nhà nước-of-the-nghệ thuật công nghệ, nghề thủ công Đức và kỹ thuật cũng như kinh nghiệm kỹ thuật lâu năm làm cho Hielscher Ultrasonics đối tác ưa thích của bạn cho ứng dụng siêu âm thành công.

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng Sản xuất tại Đức

Hielscher ultrasonicators nổi tiếng với chất lượng cao nhất và tiêu chuẩn thiết kế của họ. Mạnh mẽ và hoạt động dễ dàng cho phép tích hợp trơn tru của ultrasonicators của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Điều kiện khắc nghiệt và môi trường đòi hỏi dễ dàng được xử lý bởi Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics là một công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt nhấn mạnh vào ultrasonicators hiệu suất cao có công nghệ tiên tiến và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, Hielscher ultrasonicators là CE tuân thủ và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: