El papel de la dispersión ultrasónica en la preparación de grafeno

La dispersión ultrasónica es un método confiable para producir capas de grafeno a partir de escamas o partículas de grafito. Otras técnicas comunes de dispersión como molinos de bolas, molinos de rollos o mezcladores de alto cizallamiento son susceptibles al uso de reactivos y disolventes agresivos. La tecnología de dispersión ultrasónica puede superar bien este problema y preparar materiales de grafeno de manera eficiente.

La dispersión ultrasónica transforma el grafeno en líquido en un estado disperso, es decir, molienda ultrasónica fina o ultrafina de sólidos o fluidos debido al efecto de las vibraciones ultrasónicas. Debido a la especificidad del campo ultrasónico generado en el medio líquido, la dispersión ultrasónica proporciona una suspensión uniforme y químicamente pura altamente dispersa (tamaño de partícula inferior a 1 μm).

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El principio de preparación ultrasónica de grafeno.

La preparación ultrasónica del grafeno se basa en el efecto de cavitación, por lo que la estructura cuántica dentro del grafeno no se destruirá. La cavitación ultrasónica genera amplitudes de alta frecuencia a través de ondas ultrasónicas de alta potencia. El ultrasonido de alta potencia se puede utilizar para el tratamiento de líquidos como mezclar, emulsionar, dispersar y desaglomerar o moler. Cuando un líquido se sonica a alta intensidad, las ondas sonoras que se propagan en el medio líquido causan ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (reflexión) a una velocidad que depende de la frecuencia. Las ondas ultrasónicas de alta intensidad en ciclos de baja presión crean pequeñas burbujas de vacío o vacíos en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen donde no pueden absorber la energía, colapsan violentamente en el ciclo de alta presión. Este fenómeno se llama cavitación.

El dispositivo de dispersión ultrasónica transmite vibraciones de alta frecuencia al líquido, y la aplicación de esta tensión mecánica puede separar los aglomerados de las partículas de grafeno. Al sonicar líquidos, las ondas sonoras que se propagan hacia el medio líquido causan ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (reflexión). La cavitación ultrasónica en líquidos da como resultado chorros de líquido de alta velocidad de hasta 1000 km / h (aproximadamente 600 mph). Este chorro aprieta el líquido a alta presión entre las partículas y separa el grafeno entre sí. Las partículas más pequeñas se aceleran con el chorro de líquido y chocan a alta velocidad. La onda de choque de alta intensidad generada por la colisión a alta velocidad actúa continuamente sobre la superficie del cuerpo de grafito, y el grafito reflejará y generará tensión de tracción. Cuando se rompe una gran cantidad de microburbujas, la tensión de tracción entre las escamas de grafito aumenta continuamente y las escamas de grafeno se exfolian gradualmente.

02Exfoliación y dispersión de grafeno

Si se va a utilizar grafeno como material, primero debe dispersarse uniformemente en la formulación. Debido a la hidrofobicidad del grafeno, es difícil obtener dispersiones de grafeno de alta concentración sin la estabilización de tensioactivos o dispersantes.

Las nanoláminas de grafeno (GNP) se pueden fabricar exfoliando el grafito en un disolvente mediante sonicación de alta potencia. El grafeno exfoliado ultrasónico se puede funcionalizar con biopolímeros para obtener grafeno dispersable en agua. El grafeno sintetizado se puede procesar aún más en dispersiones estables a base de agua mediante cavitación ultrasónica. La aglomeración ocurre fácilmente cuando los nanomateriales de grafeno se mezclan en líquidos, y la dispersión ultrasónica puede romper el grafeno aglomerado en suspensiones acuosas y no acuosas, lo que puede sacar todo el potencial de los nanomateriales.

El óxido de grafeno es soluble en agua y se puede dispersar fácilmente en coloides estables. La exfoliación y dispersión ultrasónica es un método muy eficiente, rápido y rentable para sintetizar, dispersar y funcionalizar el óxido de grafeno a escala industrial. Para controlar el tamaño de las nanoláminas de óxido de grafeno (GO), el método de exfoliación juega un papel clave. Debido a sus parámetros de proceso controlables con precisión, la exfoliación ultrasónica es la técnica de delaminación más utilizada para la producción de grafeno y óxido de grafeno de alta calidad.

03Exfoliación en fase líquida asistida por ultrasónica

La exfoliación en fase líquida (LPE) es un método eficiente para la exfoliación de escamas de grafeno. El principio principal es agregar grafito u óxido de grafito como materia prima a un solvente o surfactante específico para agitar la intercalación térmica para formar una solución de pretratamiento de grafeno, y luego usar las ondas ultrasónicas emitidas por un dispositivo ultrasónico de alta potencia para pelar el grafeno de la superficie de grafito. salir.

Método de peeling en fase líquida

Los principales factores que influyen en la exfoliación con grafeno asistida por ultrasonidos son la cavitación ultrasónica y la alta fuerza de cizallamiento. La cavitación en el proceso de tratamiento ultrasónico hace que el grafito disperso en el disolvente sea triturado y triturado. La fuerza de cizallamiento de las ondas ultrasónicas puede hacer que el disolvente forme microvuelos para impactar la superficie de grafito, lo que promueve la separación de las capas de grafito.

04Resumen

Los sistemas ultrasónicos de alta potencia se pueden utilizar para la exfoliación, dispersión y preparación de grafeno y óxido de grafeno. Los procesadores ultrasónicos confiables y los reactores avanzados proporcionan la potencia requerida para el procesamiento de grafeno, con condiciones de procesamiento controladas con precisión que permiten que los resultados del procesamiento ultrasónico se ajusten con precisión al objetivo de procesamiento deseado.