Equipamento ultrassônico para dispersão de grafeno é um método confiável para produzir camadas de grafeno a partir de lascas ou partículas de grafite

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A dispersão ultrassônica é um método confiável para produzir camadas de grafeno a partir de lâminas ou partículas de grafite. Outras técnicas comuns de dispersão, como moinhos de bolas, moinhos rotativos ou misturadores de alta cisalhamento, tendem ao uso de reagentes e solventes agressivos. A tecnologia de dispersão ultrassônica pode superar bem esse problema e preparar de forma eficiente materiais de grafeno

Detalhes do Produto

equipamento de dispersão ultrassônica de grafeno
Devido às conhecidas propriedades especiais do grafite, vários métodos para a preparação do grafite foram desenvolvidos. O grafeno é preparado a partir de óxido de grafeno por meio de processos químicos complexos, envolvendo a adição de agentes oxidantes e redutores muito fortes. O grafeno produzido nessas condições químicas rigorosas frequentemente contém um grande número de defeitos.
As ondas ultrassônicas são um método alternativo validado para produzir grandes quantidades de grafeno de alta qualidade. O grafite é adicionado a uma mistura de ácido orgânico diluído, álcool e água, que é então exposta à radiação ultrassônica. O ácido atua como uma 'cunha molecular' para separar as folhas de grafeno do grafite original. Através deste processo simples, grandes quantidades de grafeno de alta qualidade, não disperso e disperso em água, são produzidas d.

Introdução ao Grafeno

Diagrama da estrutura molecular do grafeno

O grafeno é um nanomaterial de carbono bidimensional composto por átomos de carbono dispostos em uma estrutura hexagonal semelhante a um favo de mel, conectados por orbitais híbridos sp². As camadas finas de átomos de carbono no grafeno formam grafite por meio de interações não ligantes e possuem uma área superficial enorme.
É o material mais fino do universo e também o material mais forte já registrado. Ele apresenta uma mobilidade intrínseca de portadores extremamente elevada com massa efetiva mínima (zero) e pode propagar-se por distâncias na escala de micrômetros à temperatura ambiente sem sofrer espalhamento. O grafeno pode suportar densidades de corrente seis ordens de magnitude superiores à do cobre, mostrando uma condutividade térmica e dureza recordes, sendo impermeável e conciliando propriedades conflitantes, como fragilidade e ductilidade. O transporte eletrônico no grafeno é descrito por equações semelhantes às de Dirac, o que permite estudar fenômenos quânticos relativísticos em experimentos realizados em laboratório.

O princípio da dispersão ultrassônica do grafeno
O equipamento de dispersão ultrassônica de grafeno utiliza o efeito de cavitação do ultrassom para dispersar partículas aglomeradas. Envolve colocar a suspensão de partículas desejada (líquida) em um campo ultrassônico forte e tratá-la com amplitude ultrassônica adequada. Sob efeitos adicionais, como cavitação, alta temperatura, alta pressão, microcirculação e vibração intensa, a distância entre as moléculas aumenta continuamente, levando, por fim, à quebra molecular e à formação de estruturas monomoleculares. Este produto é especialmente eficaz para dispersar nanomateriais (como nanotubos de carbono, grafeno, sílica, etc.).

O objetivo da dispersão do grafeno
Na natureza, existem materiais de grafite abundantes. Uma folha de grafite com 1 milímetro de espessura contém aproximadamente 3 milhões de camadas de grafeno. Uma única camada de grafite é chamada de grafeno, que não existe de forma independente em seu estado livre, mas sempre existe como lascas de grafite compostas por múltiplas camadas de grafeno empilhadas juntas. Devido às forças intercamada fracas entre as folhas de grafite, elas podem ser separadas camada por camada sob ação de uma força externa, obtendo assim grafeno monocamada com espessura equivalente a apenas um átomo de carbono.

Métodos comuns de dispersão
-- Método de esfoliação micromecânica: Separar diretamente lascas de grafeno de cristais maiores utilizando fita adesiva, repetindo continuamente esse processo. Ao esfregar um material contra grafite pirolítico expandido termicamente ou com defeitos introduzidos, cristais lamelares contendo grafeno monocamada se formam na superfície do grafite em bloco.
Desvantagens: Baixo rendimento de grafeno, área pequena, difícil controle preciso do tamanho, baixa eficiência, inadequado para produção em larga escala.

--Deposição química de vapor: envolve introduzir uma ou mais substâncias gasosas contendo carbono (geralmente gases orgânicos de baixo carbono) em um reator a vácuo, onde altas temperaturas provocam a decomposição e carbonização do gás contendo carbono (geralmente gases orgânicos de baixo carbono). Esse processo leva ao crescimento de um alótropo de carbono na superfície do substrato.
Desvantagens: A estrutura cristalina hexagonal em forma de favo de mel do grafeno impede que ele seja totalmente grafizado, resultando em qualidade inferior em comparação com métodos de esfoliação micromecânica. Custos elevados e requisitos rigorosos de equipamentos limitam sua produção em larga escala. Além disso, a necessidade de catalisadores reduz a pureza do grafeno.

--Método de crescimento epitaxial para grafeno em cristais: Uma abordagem envolve aquecer um cristal único de 6H-SiC para remover silício, permitindo que o grafeno cresça epitaxialmente na superfície do cristal de SiC. A camada de grafeno entra em contato com a camada de silício e sua condutividade é influenciada pelo substrato. Outra abordagem utiliza componentes de carbono traço em cristais metálicos únicos, onde a recristalização a altas temperaturas sob vácuo ultraleve causa a precipitação dos elementos de carbono dentro do cristal metálico único como grafeno em sua superfície.

Desvantagens: A espessura da película de grafeno é irregular e difícil de controlar. O grafeno resultante adere firmemente ao substrato, dificultando a remoção e podendo afetar as propriedades do material. Além disso, o crescimento requer vácuo ultraleve e altas temperaturas, criando condições extremamente rigorosas que demandam equipamentos sofisticados, tornando inviável a produção em larga escala e controlável do grafeno.

--Método de oxidação-redução para grafite: A oxidação do grafite para produzir óxido de grafeno geralmente envolve tratar o grafite com ácidos fortes. Existem principalmente três métodos para preparar óxido de grafeno: o método de Brodie, o método de Staudenmaier e o método de Hummers. No método de Hummers, é necessária assistência ultrassônica para dispersar o grafeno.

Preparação ultrassônica de grafeno
Quando ultrassom de alta intensidade é aplicado a um líquido, as ondas sonoras transmitidas ao meio líquido causam ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), cuja frequência depende da frequência ultrassônica. Durante o ciclo de baixa pressão, o ultrassom de alta intensidade gera pequenas bolhas de vácuo ou vazios no interior do líquido. Quando essas bolhas atingem um tamanho em que não conseguem mais absorver energia, elas colapsam violentamente durante o ciclo de alta pressão. Esse fenômeno é conhecido como cavitação. Durante a implosão, são atingidas temperaturas locais extremamente altas (cerca de 5.000 K) e pressões elevadas (cerca de 2.000 atm). A implosão das bolhas de cavitação também resulta em velocidades de jatos líquidos de até 280 m/s. As alterações físicas e químicas induzidas pela cavitação ultrassônica podem ser aplicadas na preparação de grafeno.

Dispersão e desagregação ultrassônicas

A sonoquímica induzida por cavitação proporciona interações únicas entre energia e matéria. Os pontos quentes no interior das bolhas atingam temperaturas de aproximadamente 5000 K e pressões em torno de 1000 bar, com taxas de aquecimento e resfriamento superiores a 10^10 K/s. Essas condições especiais permitem o acesso a um conjunto de espaços reacionais químicos geralmente inacessíveis, possibilitando a síntese de diversos materiais nanoestruturados incomuns.

Esfoliação direta do grafeno
A qualidade do grafeno preparado por esfoliação ultrassônica direta é significativamente maior do que a obtida utilizando o método de Hummer. A ultrassonicação pode ser usada para preparar grafeno em solventes orgânicos, soluções de surfactante/água ou líquidos iônicos. Isso significa que oxidantes ou redutores fortes não são necessários; o grafeno pode ser produzido por esfoliação em condições ultrassônicas. Imagens de AFM de uma solução com concentração de 1 mg/ml de óxido de grafeno mostram folhas sempre finas e uniformes (1 nm). Não há fragmentos de grafeno mais espessos do que 1 nm ou mais finos do que 1 nm nestas amostras bem esfoliadas de óxido de grafeno. Portanto, pode-se concluir que, nessas condições, foi alcançada a esfoliação completa do óxido de grafeno em folhas individuais de óxido de grafeno.

Imagem de AFM em modo não contato

Equipamento de dispersão ultrassônica pode ser utilizado para dispersar e homogenizar materiais como grafeno, tintas e revestimentos; emulsificar petróleo; extrair ingredientes ativos da medicina tradicional chinesa; romper células e águas de lastro, tratamento de desinfecção; acelerar reações químicas das matérias-primas, etc.

As especificações do produto são as seguintes: