Graphene oxit – Bóc tách và phân tán bằng siêu âm

Bóc tách bằng siêu âm là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi để sản xuất graphene oxit bằng cách tách graphit oxit thành các tấm graphene mỏng, đơn lớp hoặc vài lớp. Các thiết bị siêu âm Hielscher tạo ra hiện tượng xâm thực âm mạnh, trong đó sóng siêu âm có mật độ năng lượng cao tạo ra các vi bọt có năng lượng cao trong môi trường lỏng. Khi sụp đổ, các bọt này tạo ra lực cắt làm tách các lớp graphit oxit, bóc tách chúng một cách hiệu quả thành các tấm nano graphene oxit. Hãy tận dụng công nghệ siêu âm hiệu suất cao để đưa ứng dụng dựa trên graphene oxit của bạn lên tầm cao mới!

Bóc tách graphene oxit bằng siêu âm

Graphene oxit tan trong nước, có tính lưỡng ái, không độc hại, có khả năng phân hủy sinh học và có thể dễ dàng phân tán thành các hệ keo ổn định. Bóc tách và phân tán bằng siêu âm là phương pháp rất hiệu quả, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí để tổng hợp, phân tán và chức năng hóa graphene oxit ở quy mô công nghiệp. Trong công đoạn xử lý tiếp theo, các thiết bị phân tán siêu âm tạo ra vật liệu composite graphene oxit–polyme hiệu suất cao.

Ưu điểm của bóc tách bằng siêu âm

Bóc tách bằng siêu âm mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tính đơn giản, khả năng mở rộng quy mô và tính thân thiện với môi trường, vì phương pháp này thường không đòi hỏi hóa chất có tính tác động mạnh hoặc quy trình xử lý phức tạp. Ngoài ra, phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác kích thước và độ dày của các tấm nano graphene oxit, điều rất quan trọng để điều chỉnh tính chất của chúng trong nhiều ứng dụng khác nhau.

Video minh họa quá trình trộn và phân tán graphit trong 250mL nhựa epoxy (Toolcraft L) bằng máy đồng nhất siêu âm (UP400St, Hielscher Ultrasonics). Hielscher Ultrasonics sản xuất thiết bị để phân tán graphit, graphene, ống nano cacbon, dây nano hoặc chất độn trong phòng thí nghiệm hay trong các quy trình sản xuất quy mô lớn. Các ứng dụng điển hình là phân tán vật liệu nano và vật liệu vi mô trong quá trình chức năng hóa hoặc phân tán vào nhựa hay polyme.

Quy trình: Bóc tách graphene oxit bằng siêu âm

Để kiểm soát kích thước của các tấm nano graphene oxit (GO), phương pháp bóc tách đóng vai trò then chốt. Nhờ các thông số quy trình có thể được kiểm soát chính xác, bóc tách bằng siêu âm là kỹ thuật tách lớp được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất graphene và graphene oxit chất lượng cao.
Có nhiều quy trình khác nhau để bóc tách graphene oxit từ graphit oxit bằng siêu âm. Dưới đây là một quy trình minh họa cho việc bóc tách graphene oxit bằng siêu âm:
Bột graphit oxit được trộn trong dung dịch KOH trong nước có giá trị pH 10. Thiết bị siêu âm dạng đầu dò UP200St (200W) được sử dụng để bóc tách và phân tán sau đó. Tiếp theo, các ion K+ được gắn lên mặt phẳng cơ sở của graphene để gây ra quá trình lão hóa. Quá trình lão hóa được thực hiện bằng cô quay (2 h). Để loại bỏ các ion K+ dư, bột được rửa và ly tâm nhiều lần.
Hỗn hợp thu được được ly tâm và sấy đông khô, để bột graphene oxit có khả năng phân tán kết tủa.
Chuẩn bị hỗn hợp nhão graphene oxit dẫn điện: Bột graphene oxit có thể được phân tán trong dimethylformamide (DMF) dưới tác động siêu âm để tạo ra hỗn hợp nhão dẫn điện. (Han et al.2014)

Bóc tách bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi để sản xuất các tấm nano graphene và graphene oxit. Các hệ thống siêu âm của Hielscher chứng tỏ hiệu quả như một kỹ thuật tổng hợp graphene rất hiệu quả, tiết kiệm chi phí và nhanh chóng, được sử dụng cho các dòng huyền phù lớn và sản xuất graphene hàng loạt.
Nguồn hình ảnh: Potts J. R., Dreyer D. R., Bielawski Ch. W., Ruoff R.S (2011): Vật liệu nanocomposite polyme dựa trên graphene. Polymer Vol. 52, Issue 1, 2011. 5–25.

Cơ chế bóc tách graphene oxit bằng siêu âm
(Hình: Potts et al. 2011)

Chức năng hóa graphene oxit bằng siêu âm

Xử lý siêu âm được sử dụng thành công để đưa graphene oxit (GO) vào polyme và vật liệu composite.
Ví dụ:

vật liệu composite graphene oxit–vi cầu TiO2
vật liệu composite polystyrene–magnetit–graphene oxit (cấu trúc lõi–vỏ)
vật liệu composite polystyrene–graphene oxit khử
vật liệu composite lõi–vỏ polystyrene/graphene oxit (PANI-PS/GO) được phủ sợi nano polyaniline
graphene oxit được xen cài polystyrene
graphene oxit được biến tính bằng p-phenylenediamine-4vinylbenzen-polystyrene

Ứng dụng của graphene oxit được sản xuất bằng phương pháp bóc tách siêu âm

Graphene oxit được sản xuất bằng phương pháp bóc tách siêu âm có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong điện tử, vật liệu này được sử dụng trong màng dẫn điện mềm dẻo và cảm biến; trong lưu trữ năng lượng, vật liệu này nâng cao hiệu suất của pin và siêu tụ điện. Đặc tính kháng khuẩn của graphene oxit khiến vật liệu này có giá trị trong các ứng dụng y sinh, trong khi diện tích bề mặt lớn và các nhóm chức mang lại lợi thế trong xúc tác và xử lý ô nhiễm môi trường. Nhìn chung, bóc tách bằng siêu âm giúp sản xuất hiệu quả graphene oxit chất lượng cao để sử dụng trong các công nghệ tiên tiến.

Tìm hiểu cách sản xuất graphene đơn lớp chất lượng cao bằng phương pháp bóc tách siêu âm với máy siêu âm đầu dò công suất cao. Xử lý siêu âm là phương pháp đơn giản, hiệu quả và có khả năng mở rộng quy mô để sản xuất hệ phân tán graphene với hiệu suất thu hồi cao và chất lượng tấm graphene vượt trội.

Thiết bị siêu âm để xử lý graphene và graphene oxit

Hielscher Ultrasonics cung cấp các hệ thống siêu âm công suất cao để bóc tách, phân tán và xử lý graphene cũng như graphene oxit. Các thiết bị xử lý siêu âm đáng tin cậy và thiết bị phản ứng tinh vi mang lại khả năng kiểm soát chính xác, cho phép điều chỉnh các quy trình siêu âm theo mục tiêu mong muốn.
Một thông số quan trọng là biên độ siêu âm, yếu tố quyết định sự giãn và co khi dao động của đầu dò siêu âm. Các thiết bị siêu âm công nghiệp Hielscher cung cấp biên độ cao, lên đến 200µm, và vận hành liên tục 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có các đầu dò siêu âm được chế tạo theo yêu cầu. Tất cả các thiết bị xử lý đều có thể được điều chỉnh chính xác theo điều kiện quy trình và được giám sát qua phần mềm tích hợp, bảo đảm độ tin cậy, chất lượng ổn định và kết quả có thể tái lập.
Các thiết bị siêu âm Hielscher có độ bền cao và có thể vận hành liên tục trong môi trường làm việc khắc nghiệt, khiến xử lý siêu âm trở thành công nghệ sản xuất được ưu tiên để điều chế graphene, graphene oxit và vật liệu graphit ở quy mô lớn.
Danh mục đa dạng các thiết bị siêu âm và phụ kiện, bao gồm đầu phát siêu âm và thiết bị phản ứng với nhiều kích thước và hình dạng khác nhau, cho phép lựa chọn các điều kiện và yếu tố phản ứng tối ưu, như thuốc thử, năng lượng siêu âm đưa vào, áp suất, nhiệt độ và lưu lượng, để đạt chất lượng cao nhất. Các thiết bị phản ứng siêu âm của Hielscher thậm chí có thể được tăng áp lên đến vài trăm barg, cho phép xử lý siêu âm các hỗn hợp nhão có độ nhớt cao vượt quá 250.000 centipoise.
Nhờ những yếu tố này, tách lớp và bóc tách bằng siêu âm vượt trội hơn các kỹ thuật thông thường.

Để tìm hiểu thêm về tổng hợp, phân tán và chức năng hóa graphene bằng siêu âm, vui lòng nhấp vào đây:

Những thông tin hữu ích

Siêu âm và xâm thực: Graphit được bóc tách thành graphene oxit bằng siêu âm như thế nào?

Bóc tách graphit oxit (GrO) bằng siêu âm dựa trên lực cắt lớn do hiện tượng xâm thực âm gây ra. Xâm thực âm xuất hiện do các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp luân phiên, được tạo ra khi sóng siêu âm mạnh truyền năng lượng vào chất lỏng. Trong các chu kỳ áp suất thấp, các khoảng rỗng hoặc bọt chân không rất nhỏ xuất hiện và phát triển qua các chu kỳ áp suất thấp luân phiên. Khi các bọt chân không đạt đến kích thước mà chúng không thể hấp thụ thêm năng lượng, chúng sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Sự sụp đổ của bọt tạo ra lực cắt do xâm thực và sóng ứng suất, nhiệt độ cực cao lên đến 6000K, tốc độ làm nguội cực lớn trên 10¹⁰K/s, áp suất rất cao lên đến 2000atm, chênh lệch áp suất cực lớn cũng như các tia chất lỏng có tốc độ lên đến 1000km/h (∼280m/s).
Những lực mạnh này tác động lên các chồng lớp graphit, khiến chúng tách thành graphene oxit đơn lớp hoặc vài lớp và các tấm nano graphene nguyên sơ.

Graphene oxit là gì?

Graphene oxit (GO) được tổng hợp bằng cách bóc tách graphit oxit (GrO). Trong khi graphit oxit là vật liệu 3D gồm hàng triệu lớp graphene với oxy xen cài giữa các lớp, graphene oxit là graphene đơn lớp hoặc vài lớp được gắn oxy ở cả hai mặt.
Graphene oxit và graphene khác nhau ở các đặc điểm sau: graphene oxit có tính phân cực, trong khi graphene không phân cực. Graphene oxit có tính ưa nước, trong khi graphene có tính kỵ nước.
Điều này có nghĩa là graphene oxit tan trong nước, có tính lưỡng ái, không độc hại, có khả năng phân hủy sinh học và tạo thành các huyền phù keo ổn định. Bề mặt graphene oxit chứa các nhóm epoxy, hydroxyl và carboxyl có thể tương tác với cation và anion. Nhờ cấu trúc lai hữu cơ–vô cơ độc đáo và các tính chất đặc biệt, vật liệu composite GO–polyme có tiềm năng lớn cho nhiều ứng dụng công nghiệp. (Tolasz et al. 2014)

Graphene oxit khử là gì?

Graphene oxit khử (rGO) được sản xuất bằng cách khử graphene oxit bằng siêu âm, hóa học hoặc nhiệt. Trong bước khử, phần lớn các nhóm chức chứa oxy của graphene oxit được loại bỏ, do đó graphene oxit khử (rGO) thu được có các đặc tính rất giống với graphene nguyên sơ. Tuy nhiên, graphene oxit khử (rGO) không hoàn toàn không có khuyết tật và không nguyên sơ như graphene tinh khiết.

Tài liệu/Tài liệu tham khảo

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.