Wetenschappers ontwikkelen grafeen-aerogeldeeltjes voor efficiënte waterzuivering

Schrijven in de Journal of moleculaire vloeistoffen, heeft een team onder leiding van professor Aravind Vijayaraghavan, gevestigd in het National Graphene Institute (NGI), driedimensionale deeltjes gemaakt van grafeen, met vele interessante vormen, geproduceerd met behulp van een variatie op het vortex-ringeffect. Hetzelfde effect wordt gebruikt om rookkringen te produceren en zorgt ervoor dat paardebloemzaden blijven vliegen. Van deze deeltjes is ook aangetoond dat ze uitzonderlijk efficiënt zijn in het adsorberen van verontreinigingen uit water, waardoor het wordt gezuiverd.

De onderzoekers hebben aangetoond dat de vorming van deze grafeendeeltjes wordt beheerst door een complex samenspel tussen verschillende krachten zoals viscositeit, oppervlaktespanning, traagheid en elektrostatica. Prof Vijayaraghavan zei: “We hebben een systematische studie uitgevoerd om de invloed van verschillende parameters en krachten die betrokken zijn bij de deeltjesvorming te begrijpen en te verklaren. Vervolgens hebben we, door dit proces op maat te maken, zeer efficiënte deeltjes ontwikkeld voor adsorptiezuivering van verontreinigingen uit water.”

Grafeenoxide (GO), een gefunctionaliseerde vorm van grafeen die een stabiele dispersie in water vormt, heeft veel unieke eigenschappen, waaronder dat het een vloeibaar kristal is. Individuele GO-vellen zijn één atoom dun en zo breed als de dikte van mensenhaar. Om bruikbaar te zijn, moeten ze echter worden samengevoegd tot complexe driedimensionale vormen die hun grote oppervlakte en oppervlaktechemie behouden. Dergelijke poreuze driedimensionale assemblages van GO worden aerogels genoemd en wanneer ze met water zijn gevuld, worden ze hydrogels genoemd.

De onderzoekers gebruikten een tweede vloeibaar kristalmateriaal, CTAB (cetyltrimethylammoniumbromide) genaamd, om GO-vlokken te aggregeren tot kleine deeltjes grafeenoxide-hydrogels, zonder ze tot grafeen te hoeven reduceren. Dit werd bereikt door de GO-dispersie in water in de vorm van kleine druppeltjes in een oplossing van CTAB in water te laten vallen.

Wanneer de GO-druppeltjes het oppervlak van de CTAB-oplossing raken, gedragen ze zich vergelijkbaar met wanneer een straal hete rook koude lucht raakt. De GO-druppel stroomt in de CTAB-oplossing in de vorm van een ring of ringkern, vanwege verschillen in dichtheid en oppervlaktespanning van de twee vloeistoffen.

Door verschillende parameters van dit proces te beheersen, hebben de onderzoekers deeltjes geproduceerd in de vorm van bollen (ballen), ringkernen (donuts) en tussenvormen die op kwallen lijken. Dr. Yizhen Shao, een onlangs afgestudeerde Ph.D. student en hoofdauteur van dit artikel, zei: “We hebben een universeel fasediagram ontwikkeld voor de vorming van deze vormen, gebaseerd op vier dimensieloze getallen – de nummers van Weber, Reynolds, Onhesorge en Weber, die de traagheid, stroperigheid, oppervlaktespanning en respectievelijk elektrostatische krachten. Dit kan worden gebruikt om de deeltjesmorfologie nauwkeurig te regelen door de formatieparameters te variëren. ” De onderzoekers gebruikten high-speed fotografie om de vorming en evolutie van deze deeltjesvormen vast te leggen – gezien hier.

De auteurs benadrukken het belang van deze deeltjes bij de waterzuivering. Kaiwen Nie, een Ph.D. student en co-auteur van het artikel, zei: “We kunnen de oppervlaktechemie van de grafeenvlokken in deze deeltjes afstemmen om positief of negatief geladen verontreinigingen uit water te extraheren. We kunnen zelfs ongeladen verontreinigingen of zware metaalionen extraheren door het grafeen op de juiste manier te functionaliseren. oppervlak.”