Bóc tách graphene có khả năng phân tán trong nước bằng siêu âm
- Các tấm nano graphene đơn lớp và hai lớp có thể được sản xuất nhanh chóng bằng phương pháp bóc tách siêu âm với năng suất cao và chi phí thấp.
- Graphene được bóc tách bằng siêu âm có thể được chức năng hóa bằng các polyme sinh học để thu được graphene có khả năng phân tán trong nước.
- Thông qua hiện tượng xâm thực siêu âm, graphene đã tổng hợp có thể được xử lý tiếp để tạo thành hệ phân tán ổn định trong nước.
Bóc tách graphene chất lượng cao bằng siêu âm
Siêu âm là một phương pháp đáng tin cậy để tạo ra các lớp graphene (graphene đơn lớp, hai lớp và ít lớp) từ các vảy hoặc hạt graphit. Trong khi các kỹ thuật bóc tách thông dụng khác như nghiền bi, nghiền trục hoặc sử dụng máy trộn có lực cắt cao thường gắn với chất lượng thấp và việc sử dụng các thuốc thử và dung môi có tính ăn mòn mạnh, phương pháp bóc tách siêu âm thuyết phục nhờ sản phẩm đầu ra chất lượng cao, năng lực xử lý cao và điều kiện xử lý ôn hòa.
Hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra các lực cắt mạnh, tách các lớp graphit xếp chồng thành graphene đơn lớp, hai lớp và ít lớp không có khuyết tật.
Tạo các tấm graphene có khả năng phân tán trong nước bằng siêu âm
Siêu âm là một quy trình hiệu quả với kết quả có thể lặp lại để gỡ rối các ống nano carbon trong nước hoặc dung môi hữu cơ.[/caption]Trong điều kiện bình thường, graphene khó phân tán trong nước và tạo thành các tập hợp và khối kết tụ khi được phân tán trong môi trường nước. Do các hệ nước có những ưu điểm đáng kể như chi phí thấp, không độc hại và thân thiện với môi trường, các hệ graphene nền nước rất hấp dẫn đối với các nhà sản xuất graphene và ngành công nghiệp hạ nguồn.
Để thu được các tấm nano graphene có khả năng phân tán trong nước, graphene được bóc tách bằng siêu âm được biến tính bằng các polysaccharide / polyme sinh học như pullulan, chitosan, alginate, gelatin hoặc gôm arabic.
- graphene chất lượng cao
- hiệu suất thu hồi cao
- hệ phân tán trong nước
- nồng độ cao
- hiệu quả cao
- quy trình nhanh
- chi phí thấp
- năng suất cao
- thân thiện với môi trường
Thiết bị phản ứng siêu âm với các máy siêu âm dạng đầu dò để bóc tách graphene ở quy mô công nghiệp
Quy trình bóc tách trực tiếp graphit bằng siêu âm
Pullulan không ion và alginate anion (1,0 g) được hòa tan riêng biệt trong 20 ml nước cất, còn chitosan cation (0,4 g) được hòa tan trong 20 ml nước cất có 1 wt% axit axetic. Bột graphit được phân tán trong các dung dịch polyme sinh học trong nước và được xử lý bằng máy siêu âm dạng đầu dò UP200S (công suất tối đa 200 W, tần số 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Đức) được trang bị đầu sonotrode bằng titan (đầu vi mô S3, đường kính đầu 3 mm, biên độ tối đa 210µm, mật độ công suất âm hoặc cường độ bề mặt 460 W cm-2) trong các điều kiện sau: chu kỳ 0,5 và biên độ 50%, với thời gian lần lượt là 10, 20, 30 và 60 min. Kết quả tốt nhất đạt được khi xử lý siêu âm trong 30min. Quá trình siêu âm được thực hiện ở công suất 16,25 W trong 30 phút, với mức tiêu thụ năng lượng (năng lượng đầu ra trên một đơn vị thể tích) là 731 Ws ml-1.
Sau đó, các hỗn hợp được ly tâm ở 1500 rpm trong 60 min để loại bỏ các hạt graphit chưa được bóc tách, rồi được rửa 5 lần và ly tâm lại ở 5000 rpm trong 20 min để loại bỏ lượng polyme sinh học dư thừa. Các dung dịch màu xám đậm thu được được sấy chân không ở 40ºC cho đến khi khối lượng không còn giảm. Các loại bột polyme–graphene thu được được phân tán lại trong nước (1 mg ml-1 đối với pullulan và chitosan; 0,18 mg ml-1 đối với alginate) để xác định đặc tính. Các tấm graphene thu được bằng siêu âm có sự hỗ trợ của pullulan, alginate và chitosan được ký hiệu lần lượt là pull-G, alg-G và chit-G.
Trong ba hệ, pullulan và chitosan có hiệu quả bóc tách graphit cao hơn alginate. Phương pháp này tạo ra các tấm graphene đơn lớp, hai lớp và ít lớp đã được bóc tách, với chỉ một lượng nhỏ khuyết tật ở các cạnh bên (mép). Sự hấp phụ các polyme sinh học trên bề mặt graphene mang lại độ ổn định lâu dài (hơn 6 tháng) cho hệ phân tán trong nước.
(xem Unalan và cộng sự, 2015)
Một chuỗi khung hình tốc độ cao (từ a đến f) minh họa quá trình bóc tách cơ học do siêu âm của một vảy graphit trong nước sử dụng UP200S, một máy siêu âm 200W với đầu sonotrode 3-mm. Các mũi tên chỉ vị trí tách lớp (bóc tách), nơi các bong bóng xâm thực xâm nhập vào khe tách.
(nghiên cứu và hình ảnh: © Tyurnina và cộng sự, 2020
Ảnh TEM của pull-G với thời gian: (a) 10 min; (b) 20 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) chit-G trong 30 min; (f) alg-G trong 30 min. (Unalan và cộng sự, 2015)
Máy siêu âm dùng để bóc tách graphene
Các thiết bị xử lý siêu âm công suất cao của Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới để bóc tách và phân tán thành công graphit và graphene. Các máy phân tán siêu âm của chúng tôi có nhiều loại, từ thiết bị phòng thí nghiệm và thiết bị để bàn đến các thiết bị sản xuất hoàn toàn ở quy mô công nghiệp. Ngoài độ bền chắc, khả năng vận hành 24/7 và nhu cầu bảo trì thấp, các máy siêu âm Hielscher còn thuyết phục nhờ khả năng xử lý rất dễ dàng và khả năng mở rộng quy mô tuyến tính.
Các quy trình có thể dễ dàng được thử nghiệm và tối ưu hóa trong phòng thí nghiệm. Sau đó, tất cả các kết quả xử lý có thể được mở rộng hoàn toàn tuyến tính lên quy mô sản xuất thương mại. Điều này khiến siêu âm trở thành một phương pháp sản xuất hiệu quả và có hiệu suất cao để tạo ra số lượng lớn các tấm graphene chất lượng cao.
Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể tạo ra biên độ rất cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục các biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với các biên độ cao hơn nữa, có các đầu sonotrode siêu âm được chế tạo theo yêu cầu. Các thiết bị phản ứng siêu âm phù hợp bảo đảm khả năng sản xuất hàng loạt một cách đáng tin cậy và an toàn các tấm nano graphene chất lượng cao cũng như các hệ phân tán tấm nano ổn định.
Độ bền chắc của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 ở chế độ tải nặng và trong các môi trường khắc nghiệt.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Cơ chế bóc tách các tấm nano 2D bằng siêu âm.
(nghiên cứu và hình minh họa: Tyurnina và cộng sự, 2020)
Những điều cần biết
Graphene
Graphene là một đơn lớp gồm các nguyên tử carbon liên kết sp2. Graphene có những đặc tính vật liệu độc đáo như diện tích bề mặt riêng lớn vượt trội (2620 m2 g-1), tính chất cơ học ưu việt với mô đun Young là 1 TPa và độ bền nội tại là 130 GPa, độ dẫn điện cực cao (độ linh động electron ở nhiệt độ phòng là 2,5 × 105 cm2 V-1 s-1), độ dẫn nhiệt rất cao (trên 3000 W m K-1), đó là những tính chất quan trọng nhất. Nhờ các tính chất vật liệu ưu việt, graphene được sử dụng rộng rãi trong việc phát triển và sản xuất pin hiệu năng cao, pin nhiên liệu, pin mặt trời, siêu tụ điện, hệ lưu trữ hydro, tấm chắn điện từ và thiết bị điện tử. Ngoài ra, graphene được đưa vào nhiều vật liệu nanocomposite và vật liệu composite dưới dạng phụ gia gia cường, ví dụ trong polyme, gốm và nền kim loại. Nhờ độ dẫn điện cao, graphene là một thành phần quan trọng của sơn và mực dẫn điện.
Việc điều chế graphene không có khuyết tật bằng siêu âm một cách nhanh chóng và an toàn với số lượng lớn, chi phí thấp cho phép mở rộng ứng dụng của graphene sang ngày càng nhiều ngành công nghiệp.
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
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
- Unalan I.U., Wan C., Trabattoni S., Piergiovannia L., Farris S. (2015): Polysaccharide-assisted rapid exfoliation of graphite platelets into high quality water-dispersible graphene sheets. RSC Advances 5, 2015. 26482–26490.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
Hielscher Ultrasonics sản xuất các máy đồng nhất siêu âm hiệu năng cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.