Siêu âm tẩy da chết của graphene phân tán trong nước

• Các tấm nano graphene đơn và hai lớp có thể được sản xuất nhanh chóng thông qua tẩy da chết siêu âm với thông lượng cao và chi phí thấp.
• Graphene tẩy tế bào chết siêu âm có thể được chức năng hóa với các polyme sinh học để thu được graphene phân tán trong nước.
• Bằng cách xâm thực siêu âm, graphene tổng hợp có thể được xử lý thêm thành sự phân tán gốc nước ổn định.

Siêu âm tẩy da chết của graphene chất lượng cao

Ultrasonication là một phương pháp đáng tin cậy để sản xuất các lớp graphene (graphene đơn, hai và ít lớp) từ mảnh than chì hoặc hạt. Trong khi các kỹ thuật tẩy da chết phổ biến khác như máy nghiền bóng và cuộn hoặc máy trộn cắt cao có liên quan đến chất lượng thấp và sử dụng thuốc thử và dung môi mạnh, phương pháp tẩy da chết siêu âm thuyết phục bởi sản lượng chất lượng cao, công suất xử lý cao và điều kiện xử lý nhẹ.
Siêu âm cavitation tạo ra lực cắt dữ dội, mà tách các lớp than chì xếp chồng lên nhau thành mono-, bi- và few-lớp graphene không có khuyết tật.

Tấm graphene phân tán nước thông qua Sonication

Ultrasonication là một thủ tục hiệu quả với kết quả lặp lại để gỡ rối ống carbonnanotubes trong nước hoặc dung môi hữu cơ. [/caption] Trong điều kiện bình thường, graphene hầu như không phân tán trong nước và tạo thành cốt liệu và kết tụ khi phân tán trong môi trường nước. Vì các hệ thống nước có lợi thế đáng kể là rẻ tiền, không độc hại, thân thiện với môi trường, các hệ thống graphene gốc nước rất hấp dẫn đối với các nhà sản xuất graphene và ngành công nghiệp hạ nguồn.
Để thu được các tấm nano graphene phân tán trong nước, graphene tẩy tế bào chết siêu âm được sửa đổi bằng polysacarit / polyme sinh học như pullulan, chitosan, alginate, gelatine hoặc kẹo cao su arabic.

Giao thức tẩy da chết trực tiếp của than chì bằng cách sử dụng siêu âm

Pullulan không ion và alginate anion (1,0 g) được hòa tan riêng trong 20 ml nước cất, trong khi chitosan cation (0,4 g) được hòa tan trong 20 ml nước cất với 1 wt% axit axetic. Bột than chì được phân tán trong dung dịch biopolymer nước và được xử lý bằng máy siêu âm loại đầu dò UP200S (công suất tối đa 200 W, tần số 24 kHz, Hielscher Ultrasonics, Đức) được trang bị sonotrode titan (đầu siêu nhỏ S3, đường kính đầu 3 mm, biên độ tối đa 210μm, mật độ công suất âm thanh hoặc cường độ bề mặt 460 W cm-2) trong các điều kiện sau: chu kỳ 0, 5 và biên độ 50%, trong khoảng thời gian lần lượt là 10, 20, 30 và 60 phút. Kết quả tốt nhất thu được ở sonication 30 phút. Sonication được áp dụng 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, hỗn hợp được ly tâm ở tốc độ 1500 vòng / phút trong 60 phút để loại bỏ các hạt than chì không tẩy tế bào chết và sau đó rửa 5 lần và một lần nữa ly tâm ở 5000 vòng / phút trong 20 phút để loại bỏ các polyme sinh học dư thừa. Kết quả là các dung dịch màu xám đen được sấy khô chân không ở 40ºC cho đến khi không bị mất khối lượng. Các loại bột polymer-graphene thu được được phân tán lại trong nước (1 mg ml-1 cho pullulan và chitosan; 0,18 mg ml-1 cho alginate) để mô tả. Các tấm graphene thu được bằng siêu âm hỗ trợ pullulan-, alginate và chitosan được chỉ định là pull-G, alg-G và chit-G, tương ứng.
Trong số ba hệ thống, pullulan và chitosan có hiệu quả hơn trong việc tẩy da chết than chì so với alginate. Phương pháp này mang lại các tấm graphene đơn bào, hai lớp và ít lớp tẩy tế bào chết chỉ có khuyết tật bên (cạnh) thấp. Sự hấp phụ của các polyme sinh học trên bề mặt graphene mang lại sự ổn định lâu dài (hơn 6 tháng) của sự phân tán nước.
(xem Unalan et al. 2015)

Một chuỗi tốc độ cao (từ a đến f) của các khung hình minh họa sự tẩy da chết cơ học sono của một mảnh than chì trong nước sử dụng UP200S, một ultrasonicator 200W với sonotrode 3-mm. Mũi tên cho thấy nơi tách (tẩy da chết) với bong bóng xâm thực xuyên qua phần tách.
(nghiên cứu và hình ảnh: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicators cho Graphene Exfoliation

Bộ vi xử lý siêu âm công suất cao Hielscher được sử dụng trên toàn thế giới để tẩy da chết thành công và phân tán than chì và graphene. Máy phân tán siêu âm của chúng tôi có sẵn từ phòng thí nghiệm và băng ghế dự bị cho đến các đơn vị sản xuất công nghiệp đầy đủ. Bên cạnh sự mạnh mẽ, hoạt động 24/7 và bảo trì thấp, Hielscher ultrasonicators thuyết phục bởi cao dễ dàng xử lý và khả năng mở rộng tuyến tính.
Các quy trình có thể dễ dàng kiểm tra và tối ưu hóa trong phòng thí nghiệm. Sau đó, tất cả các kết quả quy trình có thể được thu nhỏ hoàn toàn tuyến tính đến mức sản xuất thương mại. Điều này làm cho sonication trở thành một phương pháp sản xuất hiệu quả và hiệu quả cho khối lượng lớn các tấm graphene chất lượng cao.
Bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp Hielscher Ultrasonics có thể cung cấp biên độ rất cao. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Các lò phản ứng siêu âm phù hợp đảm bảo khả năng sản xuất hàng loạt đáng tin cậy và an toàn các tấm nano graphene chất lượng cao cũng như phân tán tấm nano ổn định.

Sự mạnh mẽ của thiết bị siêu âm của Hielscher cho phép hoạt động 24/7 ở nhiệm vụ nặng nề và trong môi trường đòi hỏi khắt khe.
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: