Hoe dispergeer je grafeen met een ultrasone homogenisator?

Hoe dispergeer je grafeen met een ultrasone homogenisator?

Omdat de speciale eigenschappen van grafiet bekend zijn, zijn er verschillende methoden ontwikkeld voor de bereiding ervan. Naast de chemische productie van grafeen uit grafeenoxide in een meerstappenproces, zijn zeer sterke oxiderende en reducerende middelen nodig. Bovendien bevat grafeen dat onder deze zware chemische omstandigheden wordt bereid, vaak een groot aantal defecten, zelfs na reductie, in vergelijking met grafeen dat met andere methoden wordt verkregen. Ultrasoon geluid is echter een bewezen alternatieve methode die grote hoeveelheden hoogwaardig grafeen kan produceren. De methoden die door onderzoekers met behulp van ultrasoon geluid zijn ontwikkeld, variëren enigszins, maar over het algemeen kan de grafeenproductie in slechts één stap worden voltooid.

01 Directe exfoliatie van grafeen
Ultrasoon geluid kan grafeen bereiden in organische oplosmiddelen, oppervlakteactieve stof/waterige oplossingen of ionische vloeistoffen. Dit betekent dat het gebruik van sterke oxiderende of reducerende middelen kan worden vermeden. Stankovich et al. (2007) produceerden grafeen door exfoliatie met ultrasoon geluid. Ultrasone behandeling van een oplossing van grafeenoxide met een concentratie van 1 mg/ml, AFM-beelden laten zien dat er altijd vlokken zijn met een uniforme dikte (1 nm), en er zijn geen grafeenvlokken met een dikte groter dan 1 nm of kleiner dan 1 nm in deze goede grafeenoxide-exfoliatie-monsters. Er wordt geconcludeerd dat onder deze omstandigheden volledige exfoliatie van grafeenoxide om enkele grafeenoxide-vlokken te verkrijgen, wordt bereikt.

02 Ultrasone grafeenbehandeling ...

Om een voorbeeld te geven van een specifiek grafeenproductieproces: Grafiet wordt toegevoegd aan een mengsel van verdund organisch zuur, alcohol en water, en het mengsel wordt vervolgens blootgesteld aan ultrasone straling. Het zuur fungeert als een "moleculaire wig" om de grafeenlagen van het moedergrafiet te scheiden. Door dit eenvoudige proces wordt een grote hoeveelheid ongedispergeerd, hoogwaardig grafeen in water gedispergeerd.

03 Bereiding van grafeenlagen
Een grote hoeveelheid pure grafeenlagen werd met succes bereid in het productieproces van niet-stoichiometrische TiO2-grafeen-nanocomposieten door een suspensie van grafeen-nanobladeren en titaniumdioxide-peroxidecomplexen thermisch te hydrolyseren. De pure grafeen-nanobladeren werden gemaakt van natuurlijk grafiet met behulp van een hoogintensief cavitatieveld dat werd gegenereerd door een ultrasone processor in een hogedruk-ultrasoonreactor bij 5 bar. De resulterende grafeenlagen hebben een groot specifiek oppervlak en unieke elektronische eigenschappen en kunnen worden gebruikt als een goede drager voor TiO2 om de fotokatalytische activiteit te verbeteren. De kwaliteit van ultrasoon bereid grafeen is veel hoger dan die verkregen met de Hummer-methode, waarbij grafiet wordt geëxfolieerd en geoxideerd. Omdat de fysische omstandigheden in de ultrasoonreactor nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd en ervan uitgaande dat de concentratie van grafeen als een dopingmiddel zal variëren in het bereik van 1-0,001%, is het mogelijk om grafeen in een continu systeem op commerciële schaal te produceren.

04 Ultrasone behandeling van grafeenoxide
Bereidingsproces van grafeenoxide (GO)-lagen met behulp van ultrasone bestraling. Vijfentwintig milligram grafeenoxidepoeder werd gesuspendeerd in 200 milliliter gedeïoniseerd water. Een heterogene bruine suspensie werd verkregen door te roeren. De resulterende suspensie werd ultrasoon behandeld (30 minuten, 1,3×105J) en na het drogen (373K) werd ultrasoon behandeld grafeenoxide bereid. FTIR-spectroscopie toonde aan dat ultrasone behandeling de functionele groepen van grafeenoxide niet veranderde.

05 Functionalisatie van grafeenlagen
Xu en Suslick (2011) beschreven een eenstapsmethode voor de bereiding van polystyreen-gefunctionaliseerd grafiet. In hun studie gebruikten ze grafietvlokken en styreen als basismaterialen. Door grafietvlokken in styreen (reactieve monomeer) te ultrasoneren, leidde ultrasone bestraling tot mechanochemische exfoliatie van grafietvlokken in enkellaagse en meerlagige grafeenvlokken. Tegelijkertijd werd functionalisatie van grafeenlagen met polystyreenketens bereikt. Hetzelfde functionalisatieproces kan ook worden uitgevoerd met andere grafeen-gebaseerde composietmaterialen vinylmonomeren.

06 Bereiding van koolstof-nanoscrolls
Koolstof-nanoscrolls lijken op meerwandige koolstofnanobuisjes. Het verschil met meerwandige koolstofnanobuisjes zijn de open uiteinden en de volledige toegankelijkheid van het binnenoppervlak voor andere moleculen. Ze worden nat-chemisch gesynthetiseerd door intercalatie van grafiet met kalium, exfoliatie in water en ultrasone behandeling van de colloïdale suspensie. Ultrasoon-ondersteund oprollen van grafeenmonolagen in koolstofnanobuisjes met een conversie-efficiëntie van maximaal 80% maakt de productie van nanobuisjes een hot topic voor commerciële toepassingen.

07 Grafeendispersies
De dispersiegraad van grafeen en grafeenoxide is uiterst belangrijk om het volledige potentieel van grafeen en zijn specifieke eigenschappen te benutten. Als grafeen niet onder gecontroleerde omstandigheden wordt gedispergeerd, kan de polydispersiteit van de grafeendispersie leiden tot onvoorspelbare of niet-ideale effecten zodra het in een apparaat is opgenomen, aangezien de eigenschappen van grafeen variëren met zijn structurele parameters. Sonificatie is een bewezen behandelmethode die interlaagkrachten kan verzwakken en nauwkeurige controle van belangrijke verwerkingsparameters mogelijk maakt. "Voor grafeenoxide (GO), dat typisch wordt geëxfolieerd als enkellaagse vellen, is een van de belangrijkste polydispersiteitsproblemen te wijten aan de variatie in het laterale oppervlak van de vlokken. Door de grafeen-grondstof en sonificatie-omstandigheden te variëren, kan de gemiddelde laterale grootte van GO worden verschoven van 400 nm naar 20 μm. Ultrasone dispersie van grafeen is in veel andere studies aangetoond om fijne en zelfs colloïdale suspensies te produceren."