El equipo ultrasónico para dispersión de grafeno es un método confiable para producir capas de grafeno a partir de láminas o partículas de grafito

Descripción del Producto

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 rodillos o mezcladores de alta cizalla, suelen requerir el uso de reactivos y disolventes agresivos. La tecnología de dispersión ultrasónica puede superar eficazmente este problema y preparar de manera eficiente materiales de grafeno.

Detalles del Producto

equipo de dispersión ultrasónica de grafeno
Debido a las conocidas propiedades especiales del grafito, se han desarrollado varios métodos para su preparación. El grafeno se obtiene a partir de óxido de grafeno mediante complejos procesos químicos, que implican la adición de agentes oxidantes y reductores muy fuertes. El grafeno producido bajo estas condiciones químicas extremas suele contener una gran cantidad de defectos.
Las ondas ultrasónicas son un método alternativo validado para producir grandes cantidades de grafeno de alta calidad. El grafito se añade a una mezcla de ácido orgánico diluido, alcohol y agua, la cual luego se somete a radiación ultrasónica. El ácido actúa como una 'cuña molecular' para separar las láminas de grafeno del grafito original. A través de este proceso sencillo, se produce una gran cantidad de grafeno de alta calidad no disperso y disperso en agua. d. ¿ Qué?

Introducción al Grafeno

Diagrama de la estructura molecular del grafeno

El grafeno es un nanomaterial de carbono bidimensional compuesto por átomos de carbono organizados en una red hexagonal que recuerda a una estructura de panal mediante orbitales híbridos sp². Las capas delgadas de átomos de carbono forman grafito mediante interacciones no covalentes y poseen un área superficial inmensa.
Es el material más delgado del universo y también el material más fuerte jamás registrado. Muestra una movilidad intrínseca enorme de portadores con una masa efectiva mínima (cero) y puede propagarse distancias micrométricas a temperatura ambiente sin dispersión. El grafeno puede soportar densidades de corriente seis órdenes de magnitud superiores a la del cobre, mostrando una conductividad térmica y dureza récord, siendo impermeable y combinando propiedades contradictorias como la fragilidad y la ductilidad. El transporte electrónico en el grafeno está descrito por ecuaciones similares a las de Dirac, lo cual permite estudiar fenómenos cuánticos relativistas en experimentos de laboratorio.

El principio de dispersión ultrasónica del grafeno
El equipo ultrasónico para la dispersión de grafeno utiliza el efecto de cavitación del ultrasonido para dispersar partículas aglomeradas. Consiste en colocar la suspensión de partículas requerida (líquido) en un campo ultrasónico intenso y tratarla con una amplitud ultrasónica adecuada. Bajo efectos adicionales como la cavitación, alta temperatura, alta presión, microcorrientes y vibraciones intensas, la distancia entre las moléculas aumenta continuamente, lo que finalmente conduce a la ruptura molecular y la formación de estructuras monomoleculares. Este producto es especialmente eficaz para dispersar nanomateriales (como nanotubos de carbono, grafeno, sílice, etc.).

El propósito de la dispersión del grafeno
En la naturaleza, existen abundantes materiales de grafito. Una hoja de grafito con un espesor de 1 milímetro contiene aproximadamente 3 millones de capas de grafeno. Una sola capa de grafito se denomina grafeno, que no existe de forma independiente en estado libre, sino que siempre existe como láminas de grafito compuestas por múltiples capas de grafeno apiladas entre sí. Debido a las fuerzas intercapas débiles entre las hojas de grafito, estas pueden ser separadas capa por capa bajo una fuerza externa, obteniéndose así grafeno monocapa con un espesor de solo un átomo de carbono.

Métodos comunes de dispersión
--Método de exfoliación micromecánica: Separar directamente las láminas de grafeno de cristales más grandes utilizando cinta adhesiva, repitiendo continuamente este proceso. Al frotar un material contra grafito pirolítico expandido térmicamente o con defectos introducidos, se forman cristales en forma de láminas que contienen grafeno monocapa sobre la superficie del grafito masivo.
Desventajas: Bajo rendimiento de grafeno, área pequeña, dificultad para controlar con precisión el tamaño, baja eficiencia, inadecuado para producción a gran escala.

--Depósito químico en vapor: consiste en introducir una o más sustancias gaseosas que contienen carbono (generalmente gases orgánicos de bajo carbono) en un reactor al vacío, donde las altas temperaturas provocan la descomposición y carbonización del gas que contiene carbono (típicamente gases orgánicos de bajo carbono). Este proceso lleva al crecimiento de un alotropo del carbono sobre la superficie del sustrato.
Desventajas: La estructura cristalina hexagonal en forma de panal del grafeno impide que se grafitice completamente, lo cual genera una calidad inferior comparada con métodos de exfoliación micromecánica. Altos costos y requisitos estrictos de equipo limitan su producción a gran escala. Además, la necesidad de catalizadores reduce la pureza del grafeno.

--Método de crecimiento epitaxial del grafeno sobre cristales: Un enfoque implica calentar un cristal único de 6H-SiC para eliminar el silicio, permitiendo que el grafeno crezca epitaxialmente sobre la superficie del cristal de SiC. La capa de grafeno entra en contacto con la capa de silicio, y su conductividad se ve influenciada por el sustrato. Otro enfoque utiliza componentes de carbono traza en cristales metálicos individuales, donde el recocido a altas temperaturas bajo ultra alto vacío provoca que los elementos de carbono dentro del cristal metálico precipiten como grafeno sobre su superficie.

Desventajas: El espesor de la película de grafeno es irregular y difícil de controlar. El grafeno resultante se adhiere firmemente al sustrato, dificultando su separación, lo cual puede afectar las propiedades del grafeno. Además, el crecimiento requiere ultra alto vacío y altas temperaturas, condiciones extremadamente estrictas que demandan equipos sofisticados, haciendo inviable la producción a gran escala y controlable del grafeno.

--Método de oxidación-reducción para grafito: La oxidación del grafito para producir óxido de grafeno generalmente implica tratar el grafito con ácidos fuertes. Existen principalmente tres métodos para preparar óxido de grafeno: el método de Brodie, el método de Staudenmaier y el método de Hummers. En el método de Hummers, se requiere asistencia ultrasónica para dispersar el grafeno.

Preparación ultrasónica de grafeno
Cuando se aplica ultrasonido de alta intensidad a un líquido, las ondas sonoras transmitidas al medio líquido provocan ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), cuya frecuencia depende de la frecuencia ultrasónica. Durante el ciclo de baja presión, el ultrasonido de alta intensidad genera pequeñas burbujas de vacío o cavidades dentro del líquido. Cuando estas burbujas alcanzan un tamaño en el que ya no pueden absorber más energía, colapsan violentamente durante el ciclo de alta presión. Este fenómeno es conocido como cavitación. Durante la implosión, se alcanzan temperaturas locales extremadamente altas (aproximadamente 5,000 K) y presiones elevadas (alrededor de 2,000 atm). La implosión de las burbujas de cavitación también genera velocidades de chorros líquidos de hasta 280 m/s. Los cambios físicos y químicos inducidos por la cavitación ultrasónica pueden aplicarse a la preparación de grafeno.

Dispersión y desagregación ultrasónicas

La sonoquímica inducida por cavitación proporciona interacciones únicas entre energía y materia. Los puntos calientes dentro de las burbujas alcanzan temperaturas de aproximadamente 5000 K y presiones de alrededor de 1000 bar, con tasas de calentamiento y enfriamiento superiores a 10^10 K/s. Estas condiciones especiales permiten acceder a un amplio espacio de reacciones químicas que normalmente son inaccesibles, posibilitando la síntesis de diversos materiales nanoestructurados poco comunes.

Exfoliación directa del grafeno
La calidad del grafeno preparado mediante exfoliación ultrasónica directa es significativamente superior a la obtenida utilizando el método de Hummer. La ultrasonificación puede utilizarse para preparar grafeno en disolventes orgánicos, soluciones de tensioactivos/agua o líquidos iónicos. Esto significa que no se requieren oxidantes o reductores fuertes; el grafeno puede producirse mediante exfoliación en condiciones ultrasónicas. Las imágenes AFM de una solución con una concentración de 1 mg/ml de óxido de grafeno muestran láminas siempre uniformemente finas (1 nm). No existen fragmentos de grafeno más gruesos de 1 nm ni más finos de 1 nm en estas muestras bien exfoliadas de óxido de grafeno. Por lo tanto, se puede concluir que, en estas condiciones, se ha logrado la exfoliación completa del óxido de grafeno en láminas individuales de óxido de grafeno.

Imagen AFM en modo no contacto

El equipo de dispersión ultrasónica puede utilizarse para dispersar y homogeneizar materiales como el grafeno, recubrimientos de tinta; emulsificar petróleo; extraer ingredientes activos de medicina tradicional china; descomponer células y aguas de lastre, tratamiento de desinfección; acelerar reacciones químicas de materias primas, entre otros.

Las especificaciones del producto son las siguientes: