Sintesi di nanofluidi di grafene con distribuzioni di dimensioni dei fiocchi controllabili

Riepilogo

Viene presentato un metodo per sintetizzare nanofluidi di grafene con distribuzioni di dimensioni dei fiocchi controllabili.

Abstract

Viene presentato un metodo per sintetizzare nanofluidi di grafene con distribuzioni di dimensioni dei fiocchi controllabili. I nanoflakes di grafene possono essere ottenuti con l'esfoliazione della grafite nella fase liquida, e il tempo di esfoliazione viene utilizzato per controllare i limiti inferiori delle distribuzioni di dimensioni del grafene. La centrifugazione viene utilizzata con successo per controllare i limiti superiori delle distribuzioni delle dimensioni delle nanoparticelle. L'obiettivo di questo lavoro è combinare esfoliazione e centrifugazione per controllare le distribuzioni delle dimensioni del grafene nelle sospensioni risultanti.

Introduzione

I metodi tradizionali utilizzati per sintetizzare i nanofluidi del grafene spesso utilizzano la sonicazione per disperdere la polvere di grafene¹ nei fluidi, e la sonicazione ha dimostrato di modificare la distribuzione delle dimensioni delle nanoparticelle di grafene². Poiché la conduttività termica del grafene dipende dalla lunghezza del fiocco^3,4, la sintesi di nanofluidi di grafene con distribuzioni controllabili delle dimensioni dei fiocchi è vitale per le applicazioni di trasferimento di calore. La centrifugazione controllata è stata applicata con successo alle dispersioni di grafene esfoliate liquide per separare le sospensioni in frazioni con diverse dimensioni fiocchi medi^5,6. Diverse velocità terminali utilizzate nella centrifugazione portano a diverse particelle critiche di assestamento di dimensioni⁷. La velocità terminale potrebbe essere utilizzata per eliminare grandi nanoparticelle di grafene⁸.

Recentemente sono stati introdotti metodi controllabili dalle dimensioni utilizzati per sintetizzare il grafene tramite l'esfoliazione in fase liquida per superare i problemi fondamentali riscontrati dai metodi convenzionali^{9,10,11, 12,13}. L'esfoliazione in fase liquida di grafite si è dimostrata un modo efficace per produrre sospensioni al grafene^14,15,16, e il meccanismo sottostante mostra che i parametri di processo sono correlati al limiti inferiori delle distribuzioni delle dimensioni delle nanoparticelle di grafene. I nanofluidi di grafene sono stati sintetizzati dall'esfoliazione liquida della grafite con l'aiuto di surfactants¹⁷. Mentre i limiti inferiori della distribuzione delle nanoparticelle di grafene potrebbero essere controllati regolando i parametri durante l'esfoliazione, si presta meno attenzione ai limiti superiori della distribuzione delle nanoparticelle di grafene.

L'obiettivo di questo lavoro è quello di sviluppare un protocollo che possa essere utilizzato per sintetizzare nanofluidi di grafene con distribuzioni di dimensioni dei fiocchi controllabili. Poiché l'esfoliazione è responsabile solo del limite di dimensioni inferiore dei nanoflakes di grafene risultanti, viene introdotta una centrifugazione aggiuntiva per controllare il limite superiore delle dimensioni superiori dei nanoflakes di grafene risultanti. Tuttavia, il metodo proposto non è specifico per il grafene e potrebbe essere appropriato per qualsiasi altro composto stratificato che non può essere sintetizzato utilizzando metodi tradizionali.

Protocollo

1. Esfoliazione della grafite in fase liquida

1. Preparazione dei reagenti
   1. In un pallone a fondo piatto pulito a secco, aggiungere 20 g di alcool polivinile (PVA), quindi aggiungere 1.000 mL di acqua distillata.
      NOTA: Se la sospensione non è stata elaborata con soddisfazione, il passaggio potrebbe essere ripetuto per ottenere una sospensione aggiuntiva.
   2. Ruotare delicatamente il pallone fino a quando il PVA si dissolve completamente.
      AVVISO: il PVA è dannoso per l'uomo; pertanto, devono essere utilizzati guanti protettivi e maschere chirurgiche.
   3. Aggiungere 50 g di polvere di grafite al flacone piatto e ruotare delicatamente il pallone fino a quando la polvere di grafite si disperde completamente nella sospensione.
   4. Trasferire 500 mL della sospensione risultante a un becher da 500 mL.
   5. Posizionare il becher sotto un mixer di taglio, posizionando il becher vicino al centro del recipiente di miscelazione per evitare la formazione di un vortice.
      NOTA: Tutti i reagenti chimici utilizzati sono di grado analitico.
2. Configurazione dell'attrezzatura
   1. Abbassare la testa di miscelazione nella sua posizione più bassa (30 mm dal piano di base).
   2. Fare un bagno d'acqua riempiendo un becher 5.000 mL con temperatura ambiente (25 gradi centigradi) acqua e posizionare il becher 500 mL nella vasca da bagno. Cambiare l'acqua ogni 30 min.
3. esfoliazione f
   1. Avviare il mixer e aumentare gradualmente la velocità a 4.500 rpm; mescolare a questa velocità per 120 min.
   2. Eseguire il passaggio di esfoliazione cinque volte per cinque volte predeterminate: 40 min, 60 min, 80 min, 100 min e 120 min. Il tempo di miscelazione determina il limite inferiore di dimensione laterale dei nanoflakes al grafene.
   3. Raccogliere le sospensioni dopo ogni fase di esfoliazione. Ogni fase di esfoliazione genererà una sospensione da 500 mL. Etichettare ogni sospensione con il tempo di esfoliazione per un ulteriore trattamento.
   4. Centrifugare la sospensione raccolta a 140 x g per 45 min per rimuovere la grafite non esfoliata.
   5. Raccogliere l'80% superiore del supernatante da ogni tubo di centrifuga per un ulteriore passo di centrifugazione.

2. Centrifugazione

1. Centrifugare la sospensione risultante a 8.951 x g per 45 min.
2. Raccogliere il 50% superiore del supernatante nel tubo di centrifuga ed etichettare il campione con un numero.
3. Riciclare il sedimento sul fondo del tubo di centrifuga dal punto 2.2. Aggiungere il reagente PVA/acqua preparato al punto 1.1.1 ai sedimenti e agitare il tubo vigorosamente a mano fino a quando il sedimento non è ben disperso nella sospensione.
4. Centrifugare la sospensione a 8.951 x g per 45 min; raccogliere l'80% superiore per ulteriori misurazioni.
5. Ripetere il passaggio di centrifugazione di cui sopra quattro volte con quattro diverse velocità di centrifugazione: 5.035 x g, 2.238 x g, 560 x ge 140 x g. La velocità di centrifugazione determina il limite superiore delle dimensioni laterali dei nanoflakes al grafene.
   NOTA: il protocollo può essere messo in pausa qui.

3. Misurazioni di concentrazione dei nanofluidi risultanti

1. Ottenere spettri di assorbimento a una lunghezza d'onda di 660 nm utilizzando la spettroscopia ultravioletta-visibile (UV-Vis).
   1. Utilizzare la soluzione PVA/acqua preparata al passaggio 1.1.1 per calibrare uno spettrometro UV-Vis; impostare le concentrazioni di PVA/acqua allo 0%.
   2. Aggiungere la sospensione PVA/acqua in una cella campione pulita a secco con una lunghezza del percorso di 10 mm e ottenere una lettura utilizzando il software del produttore. Fare clic sul pulsante Ottieni per ottenere il grafico dei risultati della misurazione e salvare i risultati.
   3. Ripetere il passaggio 3.1.2 per ognuno dei diversi campioni preparati nel passaggio 2.5.
      NOTA: La cella campione deve essere pulita con cura con acqua distillata e asciugata prima dell'uso ogni volta.
2. Determinare il peso del grafene nella sospensione risultante.
   1. Filtrare a vuoto la sospensione del campione da 100 mL utilizzando una membrana di nylon con una dimensione del poro di 0,2 m.
   2. Lavare la pellicola a membrana con circa 1.000 ml di acqua; ripetere questo passaggio tre volte fino a quando tutti i solidi vengono lavati dalla membrana.
   3. Determinare la massa dell'acqua lavata con una microbilancia ad alta precisione per ottenere il peso dei solidi nelle sospensioni da 100 mL.
      NOTA: I pesi includono sia il peso dei nanoflakes di grafene che i polimeri PVA.
   4. Analizzare l'acqua con l'analisi termogravimetrica (TGA)¹⁸ per determinare la concentrazione di PVA.
   5. Calcolare i valori medi del coefficiente di estinzione del sistema stabilizzato in PVA:
      
      dove A è l'assorbimento misurato a 660 nm utilizzando la spettroscopia UV-Vis, e I è la lunghezza del percorso percorsa dalla luce UV durante la misurazione; la relazione tra l'assorbimento A e la concentrazione di grafene C_G è lineare. Il coefficiente di estinzione è la pendenza della curva tracciata per l'assorbimento A in funzione della concentrazione di grafene C_G. Quando viene determinato il coefficiente di estinzione, C_G può essere determinato dall'assorbimento A.

4. Regolazione della concentrazione dei nanofluidi risultanti

1. Filtrare a vuoto le sospensioni utilizzando una membrana di nylon con una dimensione del poro di 0,2 m.
2. Asciugare la membrana a temperatura ambiente per oltre 12 ore.
3. Successivamente, risciacquare il film con acqua calda deionizzata.
4. Asciugare l'acqua deionizzata sotto vuoto per 24 h per ottenere le nanoschede di grafene.
   NOTA: Il tasso di produzione del grafene è di circa 1 mg/mL. Se la concentrazione desiderata è inferiore a questa, allora è facile da ottenere solo aggiungendo PVA / acqua. Se la concentrazione desiderata è superiore all'1%, è necessario il processo di essiccazione. Qui, dimostriamo una condizione con una concentrazione desiderata del 2%.
5. Aggiungere la soluzione PVA/acqua o nanoschede di grafene per regolare la concentrazione.
6. Se la concentrazione desiderata è inferiore al tasso di produzione, aggiungere la soluzione PVA/acqua preparata al punto 1.1.1 per ottenere la concentrazione desiderata.

5. Misurazione delle distribuzioni delle dimensioni con la dispersione dinamica della luce

1. Accendere l'analizzatore di nanoparticelle e regolare il rilevatore in etichetta C. Posizionare la sospensione del campione sul pannello di prova.
2. Aprire il software della finestra di controllo del correlatore.
3. Fate clic su Minimo quadrato vincolato non negativo: Passaggio multiplo nel menu.
4. Impostare il tempo trascorso su 2 min.
5. Selezionare l'acqua come tipo di solvente.
6. Modificare il diametro del rilevatore a 100 nm.
7. Fare clic sul pulsante di test per ottenere la lettura e salvare i risultati.
8. Ripetere i passaggi da 5,1 a 5,7 per ognuno dei campioni preparati dopo il passaggio 4.

Risultati

L'esistenza di nanofogli di grafene può essere convalidata con varie tecniche caratteristiche. La figura 1 mostra i risultati della misurazione UV-Vis per le varie distribuzioni delle dimensioni dei fiocchi prodotte dal protocollo di cui sopra. Il picco di assorbimento degli spettrali ottenuto ad una lunghezza d'onda di 270 nm è la prova dei fiocchi di grafene. Assorbimenti diversi corrispondono a concentrazioni diverse. L'assorbimento più basso osservato corrisponde alla più alta veloci...

Discussione

Abbiamo proposto una metodologia per sintetizzare nanofluidi di grafene con distribuzioni controllabili delle dimensioni dei fiocchi. Il metodo combina due procedure: esfoliazione e centrifugazione. L'esfoliazione controlla il limite di dimensione inferiore delle nanoparticelle, e la centrifugazione controlla il limite superiore delle nanoparticelle.

Anche se abbiamo impiegato l'esfoliazione in fase liquida di grafite per produrre nanoparticelle di grafene, è necessario considerare le seguent...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Beaker	China Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.	500 mL
Beaker	China Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.	5000 mL
Deionized water	Guangzhou Yafei Water Treatment Equipment Co., Ltd.		analytical grade
Electronic balance	Shanghai Puchun Co., Ltd.	JEa10001
Filter membrane	China Tianjin Jinteng Experiment Equipments Co., Ltd.	0.2 micron
Graphite powder	Tianjin Dengke chemical reagent Co., Ltd.		analytical grade
Hand gloves	China Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.
Laboratory shear mixer	Shanghai Specimen and Model Factory	jrj-300
Long neck flat bottom flask	China Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.	1000 ml
Nanoparticle analyzer	HORIBA, Ltd.	SZ-100Z
PVA	Shanghai Yingjia Industrial Development Co., Ltd.	1788	analytical grade
Raman spectrophotometer	HORIBA, Ltd.	Horiba LabRam 2
Scanning electron microscope	Zeiss Co., Ltd.	LEO1530VP	SEM
Surgical mask	China Jiangsu Mingtai Education Equipments Co., Ltd.	for one-time use
Thermal Gravimetric Analyzer	German NETZSCH Co., Ltd.	NETZSCH TG 209 F1 Libra	TGA analysis
Transmission electron microscope	Japan Electron Optics Laboratory Co., Ltd.	JEM-1400plus	TEM
UV-Vis spectrophotometer	Agilent Technologies, Inc.+BB2:B18	Varian Cary 60
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