Come disperdere il grafene con un omogeneizzatore a ultrasuoni?

Come disperdere il grafene con un omogeneizzatore a ultrasuoni?

Date le proprietà speciali della grafite, sono stati sviluppati diversi metodi per la sua preparazione. Oltre alla produzione chimica di grafene dall'ossido di grafene in un processo a più fasi, sono necessari agenti ossidanti e riducenti molto forti. Inoltre, il grafene preparato in queste severe condizioni chimiche spesso contiene un gran numero di difetti anche dopo la riduzione rispetto al grafene ottenuto con altri metodi. Tuttavia, gli ultrasuoni sono un metodo alternativo comprovato che può produrre grandi quantità di grafene di alta qualità. I metodi sviluppati dai ricercatori che utilizzano gli ultrasuoni variano leggermente, ma in generale, la produzione di grafene può essere completata in un'unica fase.

01 Esfoliazione diretta del grafene
Gli ultrasuoni possono preparare il grafene in solventi organici, soluzioni tensioattive/acquose o liquidi ionici. Ciò significa che è possibile evitare l'uso di forti agenti ossidanti o riducenti. Stankovich et al. (2007) hanno prodotto grafene per esfoliazione con ultrasuoni. Il trattamento a ultrasuoni di una soluzione di ossido di grafene con una concentrazione di 1 mg/ml, le immagini AFM mostrano che ci sono sempre scaglie con spessore uniforme (1 nm), e non ci sono scaglie di grafene con uno spessore maggiore di 1 nm o inferiore a 1 nm in questi buoni campioni di esfoliazione dell'ossido di grafene. Si conclude che in queste condizioni si ottiene la completa esfoliazione dell'ossido di grafene per ottenere singole scaglie di ossido di grafene.

02 Trattamento a ultrasuoni del grafene...

Per fare un esempio di un processo specifico di produzione di grafene: la grafite viene aggiunta a una miscela di acido organico diluito, alcol e acqua, e la miscela viene quindi esposta a radiazioni ultrasoniche. L'acido agisce come un "cuneo molecolare" per separare i fogli di grafene dalla grafite madre. Attraverso questo semplice processo, viene prodotta una grande quantità di grafene non disperso e di alta qualità disperso in acqua.

03 Preparazione di fogli di grafene
Una grande quantità di fogli di grafene puri è stata preparata con successo nel processo di produzione di nanocompositi di TiO2 grafene non stechiometrici mediante idrolisi termica di una sospensione di nanosheets di grafene e complessi di perossido di biossido di titanio. I nanosheets di grafene puri sono stati realizzati con grafite naturale utilizzando un campo di cavitazione ad alta intensità generato da un processore a ultrasuoni in un reattore a ultrasuoni ad alta pressione a 5 bar. I fogli di grafene risultanti hanno un'elevata superficie specifica e proprietà elettroniche uniche e possono essere utilizzati come un buon supporto per il TiO2 per migliorare l'attività fotocatalitica. La qualità del grafene preparato a ultrasuoni è molto più alta di quella ottenuta con il metodo Hummer, in cui la grafite viene esfoliata e ossidata. Poiché le condizioni fisiche all'interno del reattore a ultrasuoni possono essere controllate con precisione e ipotizzando che la concentrazione di grafene come drogante varierà nell'intervallo 1-0,001%, è possibile produrre grafene in un sistema continuo su scala commerciale.

04 Trattamento a ultrasuoni dell'ossido di grafene
Processo di preparazione di strati di ossido di grafene (GO) mediante irradiazione a ultrasuoni. Venticinque milligrammi di polvere di ossido di grafene sono stati sospesi in 200 millilitri di acqua deionizzata. Una sospensione marrone eterogenea è stata ottenuta mediante agitazione. La sospensione risultante è stata trattata con ultrasuoni (30 minuti, 1,3×105J) e dopo l'essiccazione (373K), è stato preparato ossido di grafene trattato con ultrasuoni. La spettroscopia FTIR ha mostrato che il trattamento a ultrasuoni non ha modificato i gruppi funzionali dell'ossido di grafene.

05 Funzionalizzazione dei fogli di grafene
Xu e Suslick (2011) hanno descritto un metodo in un'unica fase per la preparazione di grafite funzionalizzata con polistirene. Nel loro studio, hanno utilizzato scaglie di grafite e stirene come materie prime di base. Mediante ultrasuoni di scaglie di grafite in stirene (monomero reattivo), l'irradiazione a ultrasuoni ha portato all'esfoliazione meccanico-chimica delle scaglie di grafite in scaglie di grafene a singolo strato e a pochi strati. Allo stesso tempo, è stata ottenuta la funzionalizzazione dei fogli di grafene con catene di polistirene. Lo stesso processo di funzionalizzazione può essere eseguito anche con altri monomeri vinilici di materiali compositi a base di grafene.

06 Preparazione di nanoscroll di carbonio
I nanoscroll di carbonio sono simili ai nanotubi di carbonio a parete multipla. La differenza con i nanotubi di carbonio a parete multipla sono le punte aperte e la piena accessibilità della superficie interna ad altre molecole. Sono sintetizzati per via chimica umida mediante intercalazione della grafite con potassio, esfoliazione in acqua e trattamento a ultrasuoni della sospensione colloidale. L'arrotolamento assistito da ultrasuoni di monostrati di grafene in nanotubi di carbonio con un'efficienza di conversione fino all'80% rende la produzione di nanotubi un argomento caldo per le applicazioni commerciali.

07 Dispersioni di grafene
Il grado di dispersione del grafene e dell'ossido di grafene è estremamente importante per sfruttare appieno il potenziale del grafene e le sue proprietà specifiche. Se il grafene non viene disperso in condizioni controllate, la polidispersità della dispersione di grafene può portare a effetti imprevedibili o non ideali una volta incorporato in un dispositivo, poiché le proprietà del grafene variano con i suoi parametri strutturali. La sonicazione è un metodo di trattamento comprovato che può indebolire le forze interstrato e consente un controllo preciso degli importanti parametri di processo. "Per l'ossido di grafene (GO), che viene tipicamente esfoliato come fogli a singolo strato, una delle principali sfide di polidispersità è dovuta alla variazione dell'area laterale dei fiocchi. Variando la materia prima di grafene e le condizioni di sonicazione, la dimensione laterale media di GO può essere spostata da 400 nm a 20μm. La dispersione a ultrasuoni del grafene è stata dimostrata in molti altri studi per produrre sospensioni colloidali fini e uniformi."