Rolul dispersiei cu ultrasunete în prepararea grafenului

Dispersia cu ultrasunete este o metodă fiabilă pentru a produce straturi de grafen din fulgi de grafit sau particule. Alte tehnici comune de dispersie, cum ar fi mori cu bile, mori de rolă sau mixere de forfecare de mare sunt susceptibile la utilizarea de reactivi agresivi și solvenți. Tehnologia de dispersie cu ultrasunete poate depăși bine această problemă și să pregătească materiale grafen eficient.

Dispersia cu ultrasunete transformă grafenul în lichid într-o stare dispersată, adică măcinarea cu ultrasunete fină sau ultrafină a solidelor sau fluidelor datorită efectului vibrațiilor cu ultrasunete. Datorită specificității câmpului ultrasonic generat în mediul lichid, dispersia cu ultrasunete oferă o suspensie uniformă, pură din punct de vedere chimic foarte dispersată (dimensiunea particulelor mai mică de 1 μm).

01

Principiul preparării cu ultrasunete a grafenului

Pregătirea cu ultrasunete a grafenului se bazează pe efectul de cavitație, astfel încât structura cuantică din interiorul grafenului nu va fi distrusă. Cavitație cu ultrasunete generează amplitudini de înaltă frecvență prin unde ultrasonice de mare putere. Ultrasunete de mare putere pot fi utilizate pentru tratamentul lichidelor, cum ar fi amestecarea, emulsionarea, dispersarea și deaglomerarea sau măcinarea. Atunci când un lichid este sonicat la intensitate ridicată, undele sonore care se propagă în mediul lichid provoacă cicluri alternative de înaltă presiune (compresie) și joasă presiune (reflexie) la o rată care depinde de frecvență. Undele ultrasonice de mare intensitate în ciclurile de joasă presiune creează bule mici de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum în care nu pot absorbi energia, ele se prăbușesc violent în ciclul de înaltă presiune. Acest fenomen se numește cavitație.

Dispozitivul de dispersie cu ultrasunete transmite vibrații de înaltă frecvență în lichid, iar aplicarea acestui stres mecanic poate separa aglomeratele particulelor de grafen. La sonicarea lichidelor, undele sonore care se propagă în mediul lichid determină cicluri alternative de înaltă presiune (compresie) și joasă presiune (reflexie). Cavitație cu ultrasunete în lichide duce la jeturi de lichid de mare viteză de până la 1000 km / h (despre 600 mph). Acest jet stoarce lichidul la presiune ridicată între particule și separă grafenul unul de celălalt. Particulele mai mici sunt accelerate cu jetul de lichid și se ciocnesc la viteză mare. Unda de șoc de mare intensitate generată de coliziunea de mare viteză acționează continuu pe suprafața corpului grafitului, iar grafitul va reflecta și va genera stres la tracțiune. Când un număr mare de microbubbles sunt rupte, stresul la tracțiune dintre fulgii de grafit crește continuu, iar fulgii de grafen sunt exfoliați treptat.

02Exfolierea și dispersia grafenului

Dacă grafenul urmează să fie utilizat ca material, acesta trebuie mai întâi dispersat uniform în formulare. Datorită hidrofobicității grafenului, este dificil să se obțină dispersii de grafen cu concentrație ridicată fără stabilizarea agenților tensioactivi sau a dispersanților.

Nanosheets grafen (GNPs) pot fi fabricate prin exfolierea grafit într-un solvent de sonicare de mare putere. Grafenul exfoliat cu ultrasunete poate fi funcționalizat cu biopolimeri pentru a obține grafen dispersabil în apă. Grafenul sintetizat poate fi prelucrat în continuare în dispersii stabile pe bază de apă prin cavitație cu ultrasunete. Aglomerarea apare cu ușurință atunci când nanomaterialele de grafen sunt amestecate în lichide, iar dispersia cu ultrasunete poate descompune grafenul aglomerat în suspensii apoase și non-apoase, ceea ce poate scoate în evidență întregul potențial al nanomaterialelor.

Oxidul de grafen este solubil în apă și poate fi dispersat cu ușurință în coloizi stabili. Exfolierea și dispersia cu ultrasunete este o metodă foarte eficientă, rapidă și rentabilă pentru a sintetiza, dispersa și funcționaliza oxidul de grafen la scară industrială. Pentru a controla dimensiunea nanosheets de oxid de grafen (GO), metoda de exfoliere joacă un rol cheie. Datorită parametrilor săi de proces controlabili cu precizie, exfolierea cu ultrasunete este cea mai utilizată tehnică de delaminare pentru producerea de grafen și oxid de grafen de înaltă calitate.

03 Exfolierea fazei lichide asistate detrasonic

Exfolierea în fază lichidă (LPE) este o metodă eficientă de exfoliere a fulgilor de grafen. Principiul principal este de a adăuga oxid de grafit sau grafit ca materie primă la un solvent specific sau agent tensioactiv pentru a amesteca intercalația termică pentru a forma o soluție de pretratare grafen, și apoi utilizați undele ultrasonice emise de un dispozitiv cu ultrasunete de mare putere pentru a decoji grafenul de pe suprafața grafitului. ies.

Metoda de peeling în fază lichidă

Principalii factori care influențează exfolierea grafenului asistat cu ultrasunete sunt cavitația cu ultrasunete și forța de forfecare ridicată. Cavitația în procesul de tratament cu ultrasunete face ca grafitul dispersat în solvent să fie zdrobit și zdrobit. Forța de forfecare a undelor ultrasonice poate determina solventul să formeze micro-jeturi pentru a afecta suprafața grafitului, ceea ce promovează separarea straturilor de grafit.

04Summary

Sistemele cu ultrasunete de mare putere pot fi utilizate pentru exfolierea, dispersia și prepararea grafenului și oxidului de grafen. Procesoare cu ultrasunete fiabile și reactoare avansate oferă puterea necesară pentru prelucrarea grafenului, cu condiții de prelucrare controlate cu precizie, care permit rezultatele de prelucrare cu ultrasunete pentru a fi reglate cu precizie la ținta de procesare dorită.